Ген. Очень личная история - Сиддхартха Мукерджи

Опыты Гёрдона воспламенили воображение биологов – и не в последнюю очередь потому, что все это походило на претворенный в жизнь научно-фантастический сюжет. В одном эксперименте Гёрдон как-то раз произвел 18 клонов из клеток кишечника одной-единственной лягушки. Помещенные в 18 идентичных камер, они казались 18 двойниками, населяющими 18 параллельных вселенных. Базовый научный принцип работы тоже был провокационным: геном взрослой клетки, достигшей полной зрелости, принимал короткую ванну в эликсире яйцеклетки и выходил абсолютно обновленным в виде эмбриона. В сухом остатке это означало, что яйцеклетка обладает всем необходимым – всеми регуляторными факторами, нужными для направления генома в онтогенетическое прошлое, на этап образования функционального зародыша. Со временем появятся модификации метода Гёрдона и для других животных. Это приведет к знаменитому клонированию овечки Долли[1040], единственному на тот момент млекопитающему, воспроизведенному без размножения (биолог Джон Мейнард Смит позже заметит, что другой «известный случай появления на свет[1041] млекопитающего без помощи секса не вполне убедителен». Конечно, он имел в виду Иисуса Христа). В 2012-м Гёрдон получит Нобелевскую премию в том числе и за разработку технологий переноса ядер[1042].

Но столь же явной, как все достоинства эксперимента Гёрдона, была и его низкая результативность. Дифференцированные клетки кишечника определенно могли дать начало головастику, но, невзирая на все трудоемкие технические изощрения ученого, делали они это весьма неохотно: процент успешных превращений зрелых клеток в головастиков был ничтожным. Классическая генетика не могла дать этому объяснения. Последовательность ДНК в геноме взрослой лягушки, вообще-то, идентична последовательности ДНК и эмбриона, и головастика. Разве фундаментальный принцип генетики не гласит, что все клетки содержат одинаковый геном, а развитие эмбриона во взрослую особь контролируется лишь тем, как гены проявляют себя в разных клетках, включаясь и выключаясь определенными сигналами?

Но если гены и там и там те же, то почему геном взрослой клетки так сложно убедить вернуться в эмбриональный период? И почему, как выяснили другие ученые, ядра от молодых животных охотнее, чем от старых, сбрасывают возраст? Здесь, как и в случае с Голодной зимой, что-то должно было постепенно отпечатываться на геноме взрослой клетки, должна была накапливаться какая-то нестираемая метка, мешающая геному отматывать онтогенетическое время вспять. Эта метка не могла втискиваться в сами гены или межгенную ДНК, она должна была наноситься поверх них – быть эпигенетической. Гёрдон вернулся к вопросу Уоддингтона: а что, если каждая клетка несет отпечаток своей истории и идентичности на собственном геноме – в виде клеточной памяти?

Гёрдон представил себе эпигенетическую метку в абстрактном смысле, но физически такого отпечатка на геноме лягушки не наблюдал. В 1961 году Мэри Лайон, бывшая студентка Уоддингтона, нашла видимый пример эпигенетических изменений в клетке животного. Мэри, дочь госслужащего и школьной учительницы, начинала работать над диссертацией в Кембридже под руководством славного своей сварливостью Рона Фишера, но вскоре сбежала в Эдинбург, получила там степень, а позже возглавила исследовательский коллектив в тихой английской деревушке Харуэлл, километрах в тридцати от Оксфорда.

В Харуэлле Лайон изучала биологию хромосом, визуализируя их окрашиванием. К своему изумлению, она обнаружила, что все парные хромосомы, окрашенные специальным пигментом, выглядят одинаково – за исключением двух X-хромосом у самок. Одна из этих хромосом в каждой мышиной клетке всегда окрашивалась темнее. При этом гены темной хромосомы не были измененными: последовательностями ДНК две X-хромосомы не различались. Различались они, однако, своей активностью: гены темной хромосомы не производили РНК, и, следовательно, вся хромосома была «молчащей». Выглядело это так, будто одну хромосому целенаправленно выводили из эксплуатации – отключали. Лайон обнаружила, что выбор X-хромосомы для инактивации[1043] был случайным: в одной клетке могла «молчать» отцовская копия, а в соседней – материнская. Эта закономерность оказалась универсальной для всех соматических клеток с двумя X-хромосомами – то есть всех соматических клеток самок.

Но какова цель такой X-инактивации? Поскольку у женщин две X-хромосомы, а у мужчин всего одна, женские клетки вынуждены инактивировать какую-то из копий для уравнивания «дозы» X-генов. У этого случайного отключения есть важное биологическое следствие: женское тело представляет собой мозаику из двух типов клеток. Глушение (сайленсинг) одной из X-хромосом по большей части остается незаметным – если только какая-то из них (скажем, отцовская) не несет генный вариант, кодирующий видимый признак. В таком случае одна клетка будет экспрессировать этот вариант, а, скажем, соседняя с ней клетка не будет – получится мозаичный эффект. У кошек, например, один из генов цвета шерсти обосновался на X-хромосоме. В результате случайной X-инактивации у самок некоторые клетки будут производить один пигмент, а их соседки – другой[1044]. Именно в глубинах эпигенетики, а не генетики кроется разгадка феномена кошачьей «черепаховости». (Если бы люди несли ген цвета кожи на X-хромосоме, то ребенок женского пола у светлокоже-темнокожей пары рождался бы в темных и белых пятнах.)

Как клетке удается заглушить целую хромосому? Здесь ведь не просто активируется-инактивируется ген-другой в зависимости от сигналов среды, здесь целая хромосома со всеми ее генами выключается на всю клеточную жизнь. Самая логичная догадка, высказанная в 1970-х, такова: клетка каким-то образом ставит постоянный химический штамп – молекулярный «кирпич» – на ДНК этой хромосомы. А раз сами гены не затрагиваются, такая метка должна ставиться поверх них, то есть эпигенетически.

В конце 1970-х ученые, работавшие над вопросом сайленсинга генов, обнаружили, что присоединение маленькой молекулы – метильной группы – к некоторым участкам ДНК коррелирует с выключением соответствующего гена. Как выяснили позже, в случае инактивированной X-хромосомы один из главных зачинщиков этого процесса – молекула РНК под названием XIST. Молекулы XIST частично окутывают хромосому и, как считается, играют ключевую роль в ее инактивации. Ну а метильные метки, разбросанные по нитям ДНК, словно подвески по ожерелью, действительно служат глушащими сигналами для ряда генов.

Метильные метки не были единственными подвесками, декорирующими ожерелье ДНК. В 1996-м Дэвид Эллис, биохимик из Рокфеллеровского университета, обнаружил еще одну систему нанесения долговременных меток на геном. Вместо того чтобы «проштамповывать» саму ДНК, эта вторая система метила белки под названием гистоны, которые служат для ДНК упаковочным материалом[1045].

Гистоны плотно прилегают к ДНК и сворачивают ее в завитки и петли, формируя каркас хромосомы. Когда перестраивается каркас, может измениться и активность гена – подобно тому, как меняются свойства материала в зависимости от способа его укладки (свойства мотка шелковой нити сильно отличаются от свойств каната из той же нити). «Молекулярная память» может отпечатываться