Супергены. На что способна твоя ДНК?

Ученые обнаружили их в теломерах иммунных клеток. Напомним, что теломеры – это концевые участки последовательности ДНК, как точка в конце предложения. При постоянном делении клеток теломеры изнашиваются, что и служит признаком старения. «Мы считаем, что изменения в иммунных клетках отражают состояние всех клеток организма, исходя из того, что все клетки организма стареют одновременно», – говорит Кикольт-Глейзер. По ее оценкам, это отнимает у тех, кто ухаживает за людьми с болезнью Альцгеймера, от четырех до восьми лет жизни. Иными словами, адаптивность нашего организма сильно ограничена.

Кикольт-Глейзер указала на многочисленные данные, которые доказывают, что люди, занимающиеся уходом за больными и подвергающиеся стрессу, умирают быстрее, чем те, кто не выполняет подобных обязанностей. «Теперь у нас есть веское биологическое обоснование, почему это происходит», – с казала она. Руди предварительно оценил последовательности всего генома 1500 пациентов с болезнью Альцгеймера и их здоровых братьев и сестер и обнаружил, что в геноме полно повторяющихся последовательностей А, Ц, Т и Г. Некоторые из этих повторяющихся последовательностей в ДНК могут связывать определенные белки, которые находятся глубоко в ядре клетки и контролируют активность расположенных рядом генов. Другие повторяющиеся последовательности расположены на концах хромосом, и их длину контролируют белки, например теломераза. Чем дольше концы хромосом остаются стабильными (восстанавливаются за счет теломеразы), тем дольше живет клетка.

Фактически на протяжении всей нашей жизни мы ежедневно адаптируемся к окружающей среде и изменяем для этого свой организм, в том числе и на уровне активности генов. Следующая пища, которую вы съедите, следующее ваше настроение, следующий час физических нагрузок приносят в ваш организм бесконечный поток изменений. Дарвин объяснил, как вид адаптируется к окружающей среде на протяжении миллиардов лет, учитывая, что за десятки миллионов лет динозавры сначала появились, а потом превратились в птиц. Маховые перья для убежденного дарвиниста – лишь физическая адаптация к требованиям окружающей среды и ничего больше. Но на самом деле наш геном адаптируется в реальном времени каждый момент нашей жизни, и это проявляется в активности генов. Возможно ли, что эти адаптации сами по себе являются движущим фактором?

Сегодня этот вопрос крайне важен. Для подавляющего большинства сторонников эволюции ставить адаптацию впереди мутации неприемлемо. Но существуют исключения. В статье, опубликованной в журнале «New Scientist» в январе 2015 г. под названием «Адаптируйся сначала, мутируй потом», репортер Колин Баррасс рассматривает козу Слийпера в новом контексте. Примитивная африканская рыба, известная как бичир, обладает способностью выживать на суше. Адаптация в виде способности передвигаться по суше позволяет рыбе бичир переживать сезон засухи, покидая пересохший водоем в поисках свежей пресной воды, а также новых источников пищи и территорий для жизни. Другим видам тоже доступна такая адаптация. Когда лягушковый клариевый сом из Юго-Восточной Азии (Clarias batrachus) сбежал во Флориде, он передвигался по суше на большие расстояния. Сом не пользуется ногами, но ползает, опираясь на передние или грудные плавники, что помогает ему держать голову поднятой. Пока рыба остается влажной, она может пребывать на суше сколь угодно долго.

Эта адаптация напомнила биологу-эволюционисту из Университета Оттавы Эмили Стенден о том, как сотни миллионов лет назад древние рыбы вышли из океана. Совсем недавно найденная окаменелость возрастом в 360 миллионов лет стала сенсационным доказательством эпохальных изменений жизни на Земле. У недавно обнаруженного животного, которое назвали тиктаалик, был скелет, похожий на скелет рыбы, но с новыми частями, более характерными для четвероногих обитателей суши. Стенден специализируется на механике эволюции видов и показывает заинтересованным, могли ли такие адаптации ускоряться – а они могли, и весьма серьезными темпами.

Стенден и ее команда вытащили рыб бичир на сушу, и рыбы, которым пришлось ползать с опорой на плавники больше, чем в естественных условиях, изменили свое поведение и стали передвигаться более уверенно. Они крепче прижимали плавники к телу и держали голову выше. С их скелетом также произошли эволюционные изменения: кости, на которых держались плавники, изменили форму за счет действия возросшей силы земного тяготения (в воде рыбы весят меньше). Как и в случае с козой Слийпера, развился целый ряд необходимых адаптаций. Чтобы оценить, к чему приведут нас эти исследования, потребуется время, но они уже предполагают то, что сказано в статье из «New Scientist»: «Адаптируйся сначала, мутируй потом».

Проблема русской матрешки

Многое еще предстоит узнать, но уверяем, это ведет к чему-то грандиозному. Замещение простой модели эволюции, в основе которой лежат причинно-следственные связи, облаком непонятных влияний выбивает из колеи. То же самое можно сказать и о вашем организме прямо сейчас. Каждый день его бомбардируют различные влияния – пища, поведение, умственная деятельность, пять чувств, а также все, что происходит в окружающей среде. Какой из этих факторов будет решающим? Вы можете иметь генетическую предрасположенность к депрессии или диабету второго типа, или к определенным видам рака, но лишь у некоторых людей с такой предрасположенностью эти гены сработают. Выделить отдельный фактор или отдельные факторы – все равно что подбросить в воздух колоду карт и попытаться вытащить оттуда, скажем, туз пик, когда они упадут на землю.

Ученые не откажутся так просто от линейной причинно-следственной модели. Многим противна сама идея такого отказа. Итак, нам остается модель, которая выглядит как традиционная русская кукла матрешка: внутри самой большой куклы находится кукла поменьше, внутри нее – еще меньше, и так далее. В конечном итоге среди кукол, вложенных одна в другую, последняя окажется невероятно маленькой. Эти куклы забавны, но что, если заявить, что самую большую из них построила та, что поменьше, а ее в свою очередь построила та, что еще меньше, и так далее?

Образ жизни, который вела ваша мать, когда была беременна вами, может отразиться на активности ваших собственных генов и спровоцировать риск развития тех или иных заболеваний через десятки лет.

Фактически именно сюда и завела нас генетика. Иногда генетическая картина достаточно ясная, и никакой неопределенности не возникает. Представьте себе одного белого фламинго среди тысяч розовых. Из-за чего он белый? Линейная последовательность рассуждений дает ответ. Сперва идет вид, род Phoenicopterus объединяет шесть видов фламинго, которые живут в Африке и обеих Америках. У каждого вида есть доминантный ген, который окрашивает перья птиц в розовый цвет поколение за поколением. Но любой ген может мутировать или не активироваться, что в случайном порядке приводит к альбинизму у отдельного птенца. Число птенцов, которые родятся с белыми перьями, можно статистически спрогнозировать, на этом история и заканчивается.

Здесь мы рассуждаем по принципу матрешки и переходим к меньшим и меньшим уровням природы в поиске причин. Это редукционистский метод, научная ценность которого проверена временем. В исследовании природы до уровня мельчайших компонентов и заключается самая суть науки, будь это физик, который изучает субатомные частицы, или генетик, который изучает метиловые метки гена. Но здесь существует весьма серьезная проблема.

Допустим, кто-то страдает ожирением из-за эпидемии ожирения, прокатившейся по развитым странам. Существует множество предположений о причинах ожирения. Среди них стресс, гормональный дисбаланс, вредные пищевые привычки с детства и переизбыток рафинированного сахара и крахмала в современных продуктах питания. Если рассуждать по принципу матрешки, конечное объяснение можно отследить на генетическом уровне. Хотя «ген ожирения» старательно искали и поиски стали еще интенсивнее с появлением статистических доказательств того, что лишний вес появляется у всей семьи, но успех проекта был ограниченным, выявить удалось несколько генов, например, гены FTO, в которых содержатся варианты ДНК, дающие небольшую предрасположенность к ожирению. Как и в случае с такими заболеваниями, как шизофрения, влияние генов дает в лучшем случае предрасположенность.

Сегодня нам удалось обнаружить «меньшую куклу» в виде эпигенетики и механизмов переключения и контроля. Почти любой фактор, который мог бы способствовать развитию ожирения, будь то постоянный стресс, переизбыток сахара, вредные пищевые привычки или гормональный дисбаланс, теоретически можно отрегулировать с помощью эпигенома, своего рода переключательной станции, которая переводит опыт в генетические изменения. Но тут редукционистские аргументы заходят в тупик. Точно сказать, какой именно опыт будет соответствовать появлению на гене той или иной метки, которая изменит активность гена, невероятно сложно. Некоторые люди страдают ожирением без всякого стресса, переизбытка сахара и так далее. В результате невозможно сколько-нибудь точно предсказать, как прошлый или будущий опыт изменит активность ваших генов. Облако причин, которое окружает столь внезапный высокий рост голландцев, относится и к большому числу аспектов эпигенетики. Что-то создает метиловые метки, но метка материальна, а это «что-то», что ее создало, не материально. Токсин, который содержится в окружающей среде, может вызвать эпигенетические изменения, но это же может сделать и сильная эмоция, например, страх, по крайней мере у мышей.

Если посмотреть глубже, базовое предположение о материальности причин эпигенетических меток оказывается сомнительным. Это целый спектр жизненного опыта, от физического взаимодействия до эмоциональных реакций, которые управляют химическими изменениями тех или иных генов и оставляют на них метиловые метки. Как вы помните, метиловая метка – это наиболее изученный метод, которым эпигеном изменяет ген, и размеры ее невероятно малы. Химически метильная группа по размерам не больше атома углерода, связанного с тремя атомами водорода. Метки метилирования только для пары оснований Ц (цитозин) напоминают рыб-прилипал у акульего брюха, а молекула цитозина в сорок раз больше. Доказано, что при изменении ДНК большим количеством метильных меток некоторая ее часть отключается. Кажется, мы нашли самую маленькую куклу, которая включает и выключает больших. Девяносто процентов изменений в ДНК, связанных с заболеванием, расположены на переключаемых участках гена. Более того, эпигенетика оказывает существенное воздействие на внутриутробное развитие, поведенческие и личностные особенности и склонность к заболеваниям помимо генов и мутаций, которые мы наследуем от родителей.

Образ жизни, который вела ваша мать, когда была беременна вами, может отразиться на активности ваших собственных генов и спровоцировать риск развития тех или иных заболеваний через десятки лет. Канадские исследователи из Университета Летбриджа поместили взрослых крыс в условия постоянного стресса, а затем наблюдали за их потомством. У самок следующего поколения крыс детеныши рождались недоношенными. Даже самки поколения, последовавшего за ним, приносили недоношенное потомство, хотя их стрессу не подвергали. Исследователи предположили, что причины этому кроются в эпигенетике. Точнее, они предположили, что эпигенетические изменения, которые обусловлены стрессом, затрагивают микро-РНК[2 - Примечание. ДНК между генами раньше называли «мусорной ДНК». Теперь же мы знаем, что эта ДНК (или межгенная ДНК) может служить для выработки крошечных молекул под названием микро-РНК, которые контролируют активность генов во всем геноме.], крошечные сегменты РНК, которые производит геном и которые регулируют активность генов.

Если не рассматривать возможные аномалии, которые станут предметом медицинских исследований, переключение объясняет, как мы стали такими, какие мы есть. Это основа путешествия, в котором оплодотворенная яйцеклетка в матке своей матери вырастает в полностью сформированного здорового ребенка. Как только первая клетка начинает делиться, каждая последующая клетка содержит ту же самую ДНК. Но для того чтобы из них развился полноценный ребенок, необходимы клетки печени, сердца, мозга и т. д., и все они должны различаться. Эту разницу и регулирует эпигеном и его метки. Стало понятно, что срочно нужна карта эпигенома, которая поможет определить, какую роль клетки каждого типа играют в развитии эмбриона. Четыре страны – США, Франция, Германия и Великобритания – спонсировали проект «Эпигеном человека», миссия которого состоит в том, чтобы показать, где находятся все соответствующие метки, или, выражаясь официальным языком, «идентифицировать, систематизировать и интерпретировать по всему геному структуры метилирования ДНК во всех генах человека и во всех основных тканях».

При участии более 200 ученых в феврале 2015 г. проект достиг ключевой точки, было опубликовано 24 работы с описанием того, какие из миллионов переключателей определяют развитие более 100 типов клеток нашего организма. Для этого потребовалось провести сотни опытов над клетками тканей взрослых людей, а также стволовыми клетками и клетками эмбрионов. (Теоретически пересчитать пятна на шкуре всех леопардов мира было бы проще.) Химические вещества, которые регулируют различные типы клеток, уже были известны, и иногда их переключатели расположены далеко от гена, на который они воздействуют. Фактически переключатель А может находиться на порядочном расстоянии от гена Б. В некоторых случаях исследователям приходилось делать выводы о роли переключателя, изучив химическое соединение-регулятор. Если оно присутствовало в клетке, ученые делали вывод, что переключатель активен.

Родители, дети и гены

Составление карты эпигенома в таком объеме было удивительной разработкой. Активация и деактивация основных генов могла бы стать наилучшим вариантом предотвращения и лечения целого ряда заболеваний. Как признают сами ученые, выявление всех переключателей дало бы им море новых данных, но это всего лишь начало. При активности ДНК переключатели взаимодействуют. Они образуют контуры, которые называют сетями, а также могут воздействовать на ген даже на расстоянии. Разобраться в системе контуров не означает понять, почему возникает та или иная активность, точно так же, как определение местоположения всех телефонных аппаратов в городе не скажет вам, о чем говорят люди, когда звонят друг другу. Эпигенетика позволяет активировать разные участки генома параллельно благодаря трехмерной реорганизации генома (например, сложить нить ДНК в петлю), из-за чего эти участки становятся ближе друг к другу.

Аллергия похожа на ошибочное установление личности, когда организм принимает безобидное вещество за враждебное, что ведет к аллергической реакции, которую создает сам организм, а не внешнее вещество.

Существует также воздействие, которое эпигенетика оказывает на ребенка в первые дни его жизни после того, как он покидает утробу матери. Этот период служит поворотной точкой между эпигенетическим влиянием матери и опытом, который принадлежит только ребенку. Насколько важно наложение одного на другое? Этот вопрос основной для медицинских исследований, связанных с младенцами, и одно из них относится к аллергии на арахис. По данным, опубликованным в «New York Times» в феврале 2015 г., приблизительно у 2 % детей в США аллергия на арахис, и это число увеличилось в четыре раза с 1997 г. Никто не может объяснить причину увеличения числа людей с аллергией за последние несколько десятков лет – это также остается загадкой. То же самое можно сказать и о других западных странах.

Ребенок с сильной аллергией на арахис может умереть даже от совсем небольшого его количества в пище. Существует стандартная рекомендация, что употребление в пищу арахисового масла и других продуктов, содержащих арахис, повышает риск развития аллергии. Но результаты тщательного исследования, опубликованные в «New England Journal of Medicine», перевернули традиционные представления об аллергии с ног на голову. При употреблении детьми в пищу арахисового масла и продуктов, содержащих арахис, в первые годы жизни «риск развития аллергии на арахис существенно снижается», пришли к заключению авторы исследования. Новость ободряющая, поскольку она означает, что существует возможность приостановить или обратить возрастающую тенденцию.

Новое исследование проводилось в Лондоне, где 530 детей раннего возраста, находившихся в группе риска развития аллергии на арахис (например, у них уже была аллергия на молоко и яйца), разделили на две группы. Начиная с возраста от 4 до 11 месяцев дети первой группы употребляли в пищу продукты, которые содержали арахис, а из рациона детей второй группы эти продукты были полностью исключены. К возрасту пяти лет у детей, которые употребляли в пищу арахис, наблюдалось намного меньше случаев развития аллергии, чем у детей, чьи родители исключили арахис из их рациона, соотношение составило 1,9 % против 13,7 %. Это позволило выдвинуть предположение, что исключение арахиса из рациона детей способствовало увеличению числа аллергических реакций.

Довольно долгое время родители пребывали в заблуждении насчет аллергических реакций у новорожденных, и не только на арахис. До этого открытия данные были неоднозначными. Новорожденный ребенок наследует от матери иммунную систему, которая служит своего рода мостом, пока организм ребенка не начнет вырабатывать собственные антитела. Зобная железа, расположенная точно между легкими и перед сердцем – место, где вызревают Т-клетки иммунной системы. Когда организм атакуют извне вирусы, бактерии или, например, пыльца, Т-клетки отвечают за то, какие из них отторгнуть. Аллергия похожа на ошибочное установление личности, когда организм принимает безобидное вещество за враждебное, что ведет к аллергической реакции, которую создает сам организм, а не внешнее вещество.

Период наибольшей активности зобной железы длится с самого рождения и на протяжении всего детского возраста, пока не сформируется полный набор Т-клеток, а с наступлением пубертатного периода этот орган атрофируется. Вопрос с центрами аллергии заключается в том, какую часть нашего иммунитета мы наследуем генетически, а на какую влияет окружающая среда после нашего рождения. Для объяснения столь существенного повышения количества аллергических реакций в развитых странах можно допустить, что чем более загрязнена окружающая среда, тем острее должна быть проблема. Но после распада Советского Союза и получения статуса независимых государств республиками, входившими в его состав, которые по загрязненности окружающей среды опережали США и Западную Европу, ученые к своему огромному удивлению обнаружили, что в сильно загрязненных областях Восточной Европы аллергических реакций было меньше, чем на Западе.

Затем стали считать, что правдиво обратное: в чистых западных странах с хорошим санитарным состоянием иммунная система не может противостоять внешним веществам, к которым она должна адаптироваться. Таким образом, было бы крайне важно обнаружить причину аллергии на арахис. В 2000 г. Американская педиатрическая академия выпустила инструкции, в которых рекомендовала исключить из рациона детей в возрасте до трех лет продукты, содержащие арахис, если дети входят в группу риска развития аллергии. К 2008 г. академия признала отсутствие убедительных доказательств эффективности исключения арахиса из рациона детей в возрасте от 4 до 6 месяцев. Однако исследования, которые могли бы подтвердить, что не стоит полностью исключать арахис из рациона, еще не проводились. Первый настоящий ключ к ответу появился благодаря исследованию 2008 г., когда ученые обнаружили, что число детей с аллергией на арахис в Израиле было равно одной десятой части всех еврейский детей в Великобритании. Существенная разница состояла в том, что дети в Израиле употребляют в пищу арахис в течение первых лет жизни, особенно популярную сладость «Бамба» с воздушной кукурузой и арахисовым маслом, а родители британских детей исключают арахис из их рациона, если знают об их аллергии.

Новое исследование не затрагивало другие пищевые продукты, на которые у детей развивается аллергия. Осталось ответить на два главных вопроса. Если дети, которые употребляют в пищу продукты, содержащие арахис, прекращают их есть, остается ли у них предрасположенность к аллергии? Сейчас проводится дополнительное исследование этого вопроса с теми же участниками. Второй вопрос: применимы ли результаты исследования к детям с низким риском пищевой аллергии? Это неизвестно, но исследователи в основном считают, что употребление в пищу продуктов, содержащих арахис, не причинит им вреда. Впрочем, просить обеспокоенных родителей изменить привычки может оказаться непросто, поскольку стандартная забота о ребенке включает в себя в том числе и исключение «неправильных» продуктов.

Мы вдаемся в детали не потому, что у нас есть ответ на вопрос о причине аллергических реакций, но для того, чтобы прояснить, как неоднозначно может быть влияние окружающей среды, даже если в общем известно, что эпигенетические метки к ней чувствительны. Чудесное развитие человека из эмбриона в младенца, затем в ребенка, в подростка, а потом во взрослого включает в себя замысловатый танец генов и окружающей среды. У млекопитающих взаимодействие между новорожденным детенышем и его родителями может глубоко повлиять на здоровье детеныша даже десятки лет спустя. И хотя многие открытия в этой области были сделаны на основании опытов над мышами и крысами, появляется все больше и больше доказательств того, что результаты этих исследований можно применить и к людям. Эти доказательства свидетельствуют, например, о том, что жестокое обращение, пренебрежение и недостаточный уход в раннем возрасте оказывают эпигенетическое влияние на активность генов, что негативно сказывается на последующем физическом и психическом здоровье человека.

Переключение активности генов в ответ на образ жизни происходит за счет крошечной метильной группы, которая пристает к гену, как рыба-прилипала к акуле, и оставляет характерную метку.

Хорошо это или плохо, но события первых лет жизни, которые формируют связи между родителем и ребенком, на глубинном уровне воздействуют на развитие мозга и личности ребенка. Но как устанавливаются эти связи? Все больше и больше исследований показывают, что эпигенетические изменения генов детей в большинстве своем обусловлены детским опытом, который начинается с первых дней жизни. Когда мать проводит с ребенком недостаточно времени, у него могут развиться неадекватная гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая реакция на стресс, нарушения когнитивного развития и повышенный уровень токсичного кортизола, что показывают анализы слюны детей.

Некоторые дети, подвергающиеся жестокому обращению, умирают в молодом возрасте, и в случае такого трагического исхода их мозг можно изучить при вскрытии. Эти исследования отчетливо доказали эпигенетические изменения (повышенное метилирование) гена NR 3C 1, что ведет к отмиранию нервных клеток в области головного мозга, известной как гиппокамп, которая отвечает за кратковременную память. Подобные изменения можно обнаружить в образцах слюны, взятых у детей, подвергавшихся эмоциональному, физическому или сексуальному насилию. Такое жестокое обращение может привести к развитию психопатического поведения.

Эти открытия расширяют давнее понимание того, что жестокое обращение и недостаток или отсутствие заботы в раннем возрасте оказывают глубокое влияние на психику. Теперь же мы можем отследить причиненный вред и на клеточном уровне. В поисках биологических изменений, которые лежат в основе этих событий, все чаще и чаще задействуются эпигенетические пути, контролирующие экспрессию генов в головном мозге. Подобным же образом в будущем могут стать возможными испытания эффективности психотерапии и медикаментозного лечения, которые позволят проверить, удалось ли предотвратить негативное влияние изменений в эпигеноме.

Благодаря прогрессу это уже стало возможно при испытаниях на животных. В 2004 г. исследование д-ра Майкла Мини из Университета Макгилла показало, что в головном мозге крысят, за которыми ухаживали (вылизывали) матери, было больше глюкокортикоидных рецепторов. Это снижало тревожность и агрессивность поведения. Как удалось этого достичь? Снова благодаря эпигенетике. У мышей, которых матери кормили и вылизывали, произошло меньше эпигенетических изменений, обусловленных метилированием, генов глюкокортикоидных рецепторов. Это привело к повышению уровня кортизола и, таким образом, снизило тревожность, агрессию и стрессовую реакцию.

Большинство противоречий касается последующих поколений, которые в настоящее время испытывают стресс и подвергаются жестокому обращению. Когда мышей-самцов разлучают с матерями, они страдают повышенной тревожностью и проявляют признаки депрессии, например апатию, которые потом передают по наследству последующим поколениям. Негативные эпигенетические последствия разлучения с матерью обнаружили в сперматозоидах взрослых мышей, которые и послужили средством передачи изменений потомству. Похожие исследования показали, что целый ряд последствий плохого питания, воздействия токсинов (например, пестицидов) и стресса, которые ведут к эпигенетическим изменениям головного мозга и сперматозоидов мышей, могут передаваться по наследству последующим поколениям.

Вот пример того, как мы можем повлиять на активность собственных генов, взятый прямо из научной фантастики. Швейцарско-французская команда исследователей из Цюриха вдохновилась новой игрой под названием «Mindflex», которая вышла в комплекте с наушниками, способными фиксировать мозговые волны со лба и ушных мочек игрока. Сосредоточившись на шарике из легкой пены, игрок может поднимать и опускать его на столбике воздуха. Игра заключается в том, чтобы двигать шарик через полосу препятствий только силой мысли.

Исследователи задались вопросом, может ли тот же самый подход изменить активность генов. Они разработали шлем для ЭЭГ, который анализировал мозговые волны и мог затем передавать их беспроводным способом через Bluetooth. Согласно данным, опубликованным в «Engineering and Technology Magazine» в ноябре 2014 г., мозговые волны переводились в электромагнитное поле внутри устройства, которое питало имплант внутри клеточной культуры. В имплант была вмонтирована светодиодная лампа, которая излучала инфракрасный свет. Затем этот свет способствовал выработке определенного белка в клетках. Как прокомментировал это один из ведущих исследователей, «контроль генов подобным образом – нечто абсолютно новое и уникальное в своей простоте».

Ученые использовали инфракрасное излучение, потому что оно проникает глубоко в ткань, но при этом не разрушает клетки. После того как мысленный контроль сработал на образцах тканей, исследователи продолжили эксперименты на мышах и тоже добились успеха. Людей, которые участвовали в эксперименте, просили надеть шлем для ЭЭГ и контролировать выработку белка просто силой мысли. Участников разделили на три группы. Одну из них попросили сосредоточиться, играя на компьютере в «Minecraft». Как сообщается в статье, «судя по уровню концентрации белка в крови одной из подопытных мышей, этой группе удалось добиться ограниченных результатов. Участники из второй группы пребывали в медитации или в состоянии полного расслабления, и им удалось добиться куда более высокого уровня экспрессии белка. Третьей группе, которая использовала методы биологической обратной связи, удавалось сознательно включать и выключать светодиодную лампу, вживленную в тело подопытной мыши».

Помимо интересных последствий влияния силы мысли непосредственно на активность генов, такой подход мог бы когда-нибудь облегчить жизнь больным эпилепсией, помогая им мгновенно усваивать лекарства или включать и выключать активность определенных генов посредством вживленного в головной мозг импланта в самом начале припадка. Непосредственно перед припадком в мозге эпилептика начинается электрическая активность определенного типа, которую можно было бы использовать для активации работающего от света импланта, чтобы быстро выработать противосудорожное вещество. Подобную стратегию можно было бы применить и для лечения хронической боли. Мозг мог бы вырабатывать болеутоляющие вещества при первых признаках возникновения боли.

В общем и целом, наш геном – невероятно гибкая конструкция из ДНК и белков, внутри которой постоянно происходят изменения, касающиеся ее структуры и активности генов, и в большинстве своем эти изменения оказываются реакцией на образ жизни, который мы ведем. Но нельзя оставлять в стороне проблему матрешки. Стало очевидно, что в основе активности генов лежат ее химически обусловленные переключения. Это неоспоримо. Переключение активности генов в ответ на образ жизни происходит за счет крошечной метильной группы, которая пристает к гену, как рыба-прилипала к акуле, и оставляет характерную метку. Без этих химических изменений генов стволовая клетка не могла бы развиваться в конкретные виды клеток, то есть в клетку мозга, а не в клетку печени или сердца. На самом деле у нее бы вообще не получилось ни во что развиваться, она могла бы только бесконечно делиться подобно клеткам раковой опухоли.

Метильные метки – это не только химические изменения, которые могут выключать активность генов, они также напоминают музыкальные ноты и представляют симфонию еще более сложного взаимодействия генов между собой. Если у нас получится читать эти метки в совокупности друг с другом, мы сможем разобраться в том, какой образ жизни вели мы сами (а возможно, и наши родители, и поколение их родителей). Возможным станет напрямую из эпигенома узнать, через какой опыт они прошли, например, им удалось пережить голод. Читать эти метки как нотные знаки симфонии логично, поскольку нужно множество нот, чтобы получилась мелодия. Если смотреть только на одну нотную строку симфонии, впечатление выйдет отрывочным и поверхностным. Точно так же поиск «самой маленькой куклы» в «матрешке» не расскажет вам всей генетической истории.

В генетике метки расшифровываются на генетическом уровне, но следующий шаг, который состоит в том, чтобы объяснить их значение в контексте переживаний, сталкивается с серьезными трудностями. Во-первых, мы можем наблюдать за генетическими изменениями в реальном времени. Во-вторых, мы не можем сказать, что для опыта А характерно генетическое изменение Б, за исключением очень немногих случаев. Должна быть возможность выявить эпигенетические изменения, скажем, от курения, даже при том, что его вредное воздействие на здоровье весьма разнообразно. Зная, как могут действовать химические метки на определенных генах, мы не можем сказать, как определенный жизненный опыт, например, длительное голодание, становится причиной появления конкретных меток на конкретных генах и на каких именно участках генома они появятся.

На сегодняшний день самая большая проблема – это отсутствие связи между метками и их значением. Когда скрипач видит знаки, с которых начинается Пятая симфония Бетховена знакомым «та-да-да-ДАМ», он начинает играть, и его рука со смычком движется вверх и вниз по струнам скрипки. Вы можете увидеть движение его руки, но за этим действием скрывается еще множество невидимых элементов. Скрипач учился читать музыку и знает, что означают ноты. Для него это не просто черные значки на белой странице. Его разум переводит ноты в сложные действия, которые требуют скоординированной работы мозга, глаз, руки и пальцев. И наконец, то, о чем почти не упоминают, потому что это очевидно, человек по имени Людвиг ван Бетховен написал эту симфонию и сочинил известный во всем мире мотив из четырех нот. Эта простая группа нот лежит в основе сотен музыкальных строк.

С учетом всего этого, как химия миллионов генов и механизмы их включения и выключения, которые контролируются на химическом уровне, дают мозгу удивительную способность думать? Никто не знает. Как мозг эволюционировал на протяжении миллионов лет в ответ на программирование со стороны новых и новых мутаций? По мнению генетиков-дарвинистов, все эти мутации произошли случайно. Как из этого могла сложиться вся история, принимая во внимание, что эпигенетические изменения, которые возникают в ответ на наш образ жизни, могут определить, на каком участке генома возникнут новые мутации? В таких случаях даже Дарвину наверняка пришлось бы признать, что не все мутации происходят в случайном порядке.

Конечно, Дарвин в свое время не мог ничего знать об эпигенетике. Но что, если бы он знал? Дарвин мог бы рассказать нам, что эволюция подразумевает взаимосвязь эпигенетических меток и новых генных мутаций. Дарвин шокировал своих современников, когда исключил Бога или любого другого разумного Создателя из объяснения, откуда взялся современный человек. Разумеется, при изучении генетики предположение о наличии некоего высшего разума, который бы стоял «за сценой», не поможет нам понять, как мы эволюционировали. Но теперь мы можем рассматривать неотъемлемый организующий принцип процесса эволюции, который выходит за пределы однобокого представления о случайных мутациях и выживании наиболее приспособленных. При построении новой модели эволюции метильные метки на тысячах генов и их партнеры гистоны, активность которых тесно связана с геномом, помогут определить, где возникнут новые мутации. И тогда дарвиновский естественный отбор будет решать, какие из новых мутаций сохранятся. В этом интригующем, хотя и умозрительном сценарии мы не просто ждем у моря погоды, когда же появятся случайные мутации. Мы оказываем прямое воздействие на будущую эволюцию нашего генома, которая основана на выборах, которые мы совершаем.

Новый сильный игрок: микробиома

Генетика находится в эпицентре взрыва знаний. Непрерывно поступающие данные о геноме и эпигеноме накапливаются ежедневно даже не гигабайтами, а терабайтами, то есть триллионами байт цифровой информации, в тысячу раз больше гигабайта. Такую гору данных сложно воспринимать, еще сложнее анализировать, а тут еще совершенно неожиданно добавилась гора данных размером с Гималаи о таком явлении, как микробы. Медики обычно видят в микробах захватчиков: вирусы и бактерии становятся причиной заболеваний и разрушают иммунную защиту организма. Хотя учитывают и полезных микробов, которые обитают в пищеварительном тракте и помогают переваривать пищу.

Врач со специализацией по заболеваниям желудочно-кишечного тракта очень быстро понимает, какие расстройства могут происходить в кишечнике, но большинство людей почти не знает, что за микробы живут бок о бок с нашими собственными клетками. Если вы принимаете антибиотики, цель которых – убить болезнетворных микробов, полезная микрофлора кишечника тоже пострадает. В норме через некоторое время она восстанавливается после прекращения приема антибиотиков, и максимум, что вы заметите, – это приступ диареи. Когда у путешественников случаются кишечные расстройства вроде «делийского живота» в Индии или «мести Монтесумы» в Мексике, их причина – изменение экологии кишечника. Пищеварительная микрофлора в разных частях мира отличается. Пока вы не чувствуете боли и дискомфорта и у вас не начинается вздутие живота, диарея или запор, вы не станете обращать внимания на свое пищеварение, по крайней мере на уровне микрофлоры.

Однако за последние несколько лет неожиданно открылась важность целой популяции микробов, населяющих наш организм. На причину этого мы уже успели мимоходом намекнуть, когда упомянули, что человеческий организм содержит 100 триллионов чужеродных микробных клеток. Как мы уже говорили, это значит, что 90 % клеток нашего тела, в том числе и подавляющее большинство генетического материала, – микробы. Ваш организм содержит около 23 000 генов в сравнении с миллионом генов бактерий. В глобальном плане мы просто конструкция из бактериальных колоний с небольшой примесью человеческих клеток! Понимание этого пришло, когда открылась возможность составить полную карту генома, включая геномы сотен тысяч всевозможных микроорганизмов, которые обитают в нашем теле, в основном в кишечнике, но также во рту, на коже и прочих частях тела.

Прежде чем мы сможем разобраться с собственными генами, необходимо понять генетическое значение микробиомы, как назвали целую экосистему микроорганизмов, численность которой превышает наши клетки в пропорции 10:1 (также используется синоним «микробиота»). Эти микробы не просто зашли в гости, когда появились высокоорганизованные формы жизни. Симбиоз между клетками нашего организма и триллионами микробов продолжается на протяжении долгого времени, начиная с самого появления микробов 3,5 миллиарда лет назад. Появление наших человекоподобных предков около 2,5 миллиона лет назад – лишь мгновение в сравнении с эволюционным путем бактерий, которые могут создавать гены и даже обмениваться ими. За все это время наше взаимодействие с бактериями повлияло на эволюцию каждого органа, в том числе и мозга. Неизвестно точно, сколько именно видов микробов населяет наш организм, по общим оценкам, их число превышает тысячу, что в любом случае удивительно много. Влияние микробиомы подразумевается в ее описании: второй геном человека, еще один орган, бактериальные внутренние джунгли. Клетки в кишечнике вырабатываются в огромных количествах, около 100–300 миллионов в час в толстой кишке и небольшая часть от 1 до 3 миллиардов в тонком кишечнике. Микробы поселяются в биопленке, которая покрывает стенки кишечника, то также и выходят наружу – так, образец стула по весу содержит 40 % микробов.