Книга Дикие гены - Хельга Хофман-Зибер

Когда самые серьезные вопросы с ДНК и РНК были разрешены, Бреннер и Крик обратились к новым темам. Оба хотели больше узнать о развитии многоклеточных организмов. Вот так Бреннер и занялся червем. Крик же взялся за изучение дрозофил, хотя это была очень сложная задача. Во всяком случае, Бреннер вспоминал, что Крик однажды изо всех сил швырнул на стол книгу со словами «Одному Богу известно, как действует этот имагинальный диск» (имагинальным диском называется область тела личинки дрозофилы, из которой появляются ноги, усики и т. п., – только не спрашивайте, как это происходит…). Бреннер отразил этот эпизод в коротенькой истории и опубликовал ее в своей колонке, которую на протяжении многих лет вел в одном из научных журналов:

Фрэнсис Крик оказывается у райских врат. Там его встречает апостол Петр, но Крик настаивает на том, чтобы его представили лично Всевышнему. После продолжительных переговоров его ведут в небольшой домик возле свалки на самом краю небес. Там что-то мастерит невысокий мужчина в комбинезоне с торчащим из заднего кармана гаечным ключом.

– Боже, перед вами доктор Крик, – представляет апостол. – Доктор Крик, это Бог.

– Очень рад с вами познакомиться, – говорит Фрэнсис. – Я хочу спросить у вас: как функционируют имагинальные диски?

– Ну, мы берем кое-что вон оттуда и добавляем пару других вещей… Вообще-то мы и сами этого точно не знаем… Но я должен вам сказать, что мы производим мух уже 200 миллионов лет, и до сих пор не было никаких жалоб!

Почему же Бреннер выбрал в качестве объекта изучения именно С. elegans? В его пользу говорят несколько факторов: у этого червя нет сердца и крови, он достаточно прозрачен, не имеет ни легких, ни скелета. Короче говоря, С. elegans весьма просто устроен, и в нем легче разобраться, чем в более сложных животных. Важным было и то, что этот круглый червь всегда состоит из одного и того же количества клеток, а именно из 959 для особи-гермафродита (самок у него не бывает) и 1031 для мужской особи. Дополнительные клетки сосредоточены преимущественно в нервной системе и заднем проходе. В целом это червь, но в нем можно подробно рассмотреть все клетки. Поэтому сегодня мы знаем, когда, где и каким образом появляется и развивается каждая из них. Существует даже своего рода план сборки С. elegans, в котором все подробно описано.

Перед вами краткий рецепт по изготовлению червя. Для этого вам понадобятся:

302 нейрона + 56 вспомогательных клеток нервной системы;

213 клеток кожи (некоторые из которых слились в многоядерные клетки); 152 мышечные клетки;

143 клетки половых органов;

34 клетки кишечника;

8 клеток заднего прохода

и еще 51 клетка других видов, которые мы в целях экономии места обозначим как прочие.

Раз ужу нас есть такой подробный перечень клеток, можно сразу заняться вопросом, почему они подразделяются на нейроны, мышечные клетки и т. д., хотя в каждой из них содержится один и тот же набор генов.

Причина различий между клетками заключается в том, что в наследственном материале заложены все возможные инструкции по строительству. Но для использования всегда выбираются те, которые соответствуют данному типу клетки. Все остальные гены упаковываются таким образом, что становятся недоступными. В ядре эту задачу выполняют гистоны – относительно небольшие молекулы белков, по внешнему виду похожие на катушку, на которую наматываются короткие фрагменты ДНК. При слиянии нескольких гистонов, обернутых ДНК, возникают все более крупные и упорядоченные структуры. Высшую степень упорядоченности представляют Х-образные хромосомы, которые можно наблюдать в момент деления клеток. Однако в обычных условиях порядки в ядре не столь строги и фрагменты ДНК, которые используются в данный момент, в значительной степени «распакованы», чтобы можно было считывать расположенные на них гены. Степень доступности гена регулируется химическими маркерами на гистонах и самой ДНК.

Эти маркеры, как правило, передаются по наследству от одной клетки к другой. Примерно так же обстояли дела в Средневековье: сын графа становился графом, а ребенок, родившийся в семье крестьянина, со временем брался за плуг, как и его отец (даже если по своим качествам вполне мог быть графом). Такой порядок наследования, имеющий отношение не к генам как таковым, а только к тому, как и когда они используются, называется эпигенетикой. Мы еще многого в ней не понимаем, хотя и очень хотелось бы. Например, ткани сердца и мозга почти не регенерируются после повреждений, а вот кожа или печень восстанавливаются намного лучше. Если мы как следует разберемся в эпигенетике, то, пожалуй, сможем сделать из крестьянина графа. В этом случае нам, возможно, удастся вылечить больное сердце и устранить последствия инсульта.

Но вернемся к нашему С. elegans. Мы достаточно хорошо представляем себе, для чего предназначены его 959 клеток. Но в процессе развития червя образуется 1090 клеток. Что же происходит с остальными? Ответ на этот вопрос ввергает нас в печаль: они убивают сами себя. Чтобы правильно функционировать, организму порой приходится избавляться от ряда собственных клеток. В развитии человека этот процесс тоже играет важную роль. В частности, он заботится о том, чтобы у нас не вырост хвост, как у обезьяны. Клетки, из которых он может образоваться, присутствуют в эмбрионе, но затем целенаправленно уничтожаются.

Еще одна загадка эпигенетики заключается в том, как наш образ жизни и опыт сказываются на программировании клеток. Можно ли передать эпигенетический опыт своим детям и внукам? Долгое время считалось, что эпигенетическое программирование полностью останавливается в самом начале развития эмбриона и каждый живой организм начинает свое существование с чистого листа. Однако за последние годы накопилось немало свидетельств того, что некоторые эпигенетические маркеры все же могут передаваться потомству и оказывать влияние на обмен веществ, склонность к онкологическим заболеваниям, возникновение депрессии и даже на такие сложные процессы, как обучение и память.

На более поздних стадиях жизни этот механизм не теряет своей значимости, например когда иммунная система уничтожает пораженные вирусом клетки, чтобы остановить размножение возбудителя болезни. Механизм запрограммированной смерти клеток называется апоптозом и действует с пугающей эффективностью. Все начинается с сигнала на самоуничтожение клетки. Он может поступить извне (например, от иммунной системы) или из самой поврежденной клетки, которая замечает, что у нее возникли какие-то проблемы. В подобных ситуациях в митохондриях, выполняющих роль электростанций в клетке, возникают «протечки реактора». В них образуются маленькие отверстия, и содержимое вытекает туда, где ему быть не положено. Это необычное происшествие будит спящие белки каспазы, которые до поры до времени мирно дремлют в клетке. Но стоит им только активизироваться, как проявляется их суровый нрав: они рвут клетку на части и тем самым активизируют все новые каспазы. Следующей в процесс активизации вступает дезоксирибонуклеаза, которая, проснувшись, начинает крошить в мелкие