Прикрепляясь к молекуле ДНК, метильные группы изменяют условия связывания с ней регуляторных хромосомных белков. Если такие белки связываются с ДНК чересчур сильно, белковый «рукав» становится невозможно «засучить» и содержащиеся в ДНК гены не поддаются считыванию. Метилирование ДНК способно подавить или модифицировать генную активность.
Как тут не вспомнить газетные заголовки типа: «Диета сильнее генов»? Матери-мыши, получавшие пищевые добавки, богатые метильными группами, производили на свет обыкновенных бурых мышат нормальной комплекции; при этом у последних присутствовал тот же самый ген агути, что и у их матерей. Что же до матерей-агути, не получавших таких добавок, их потомки имели золотистый окрас, ели вдвое больше обычных здоровых мышей и набирали вдвое больший вес, чем их поджарые сверстники-«псевдоагути».
Приведенный на следующей странице снимок производит огромное впечатление. Две мыши, будучи генетически идентичными, кардинально отличаются по внешнему виду. Одна из них поджарая и бурая, другая — тучная и желтая. Кроме того (хотя вы и не можете видеть этого на фотографии), тучная мышь страдает диабетом, а поджарая полностью здорова.
Сестры-агути. Годовалые генетически идентичные женские особи агути-мышей. Обогащенный метилом рацион матерей меняет окрас их потомства с золотистого на бурый и уменьшает частоту случаев ожирения, диабета и рака. (Фото предоставлено Джертлом и Уотерлендом.)
Другие исследования показали, что эпигенетические механизмы играют роль в развитии целого ряда заболеваний — онкологических, сердечно-сосудистых, диабета. Вообще говоря, только 5% сердечников и раковых больных имеют право списывать свою болезнь на наследственность [Willett 2002]. Средства массовой информации, поднявшие большой шум вокруг открытия генов рака груди BRCA1 и BRCA2, почему-то гораздо меньше распространялись о том, что в 95% случаев рак груди возникает отнюдь не из-за унаследованных генов. У значительной части онкологических больных причиной злокачественных опухолей становятся не дефекты в генах, а обусловленные экологией эпигенетические изменения в организме [Kling 2003; Jones 2001; Seppa 2000; Baylin 1997].
Данные эпигенетических исследований настолько убедительны, что некоторые особо смелые ученые даже рискнули вспомнить в связи с ними имя многократно ошельмованного эволюциониста Жана-Батиста де Ламарка, считавшего, что признаки, приобретенные в результате взаимодействия с окружающей средой, могут передаваться по наследству. Философ Эва Яблонка и биолог Марион Лэм пишут в своей вышедшей в 1995 году книге «Эпигенетическое наследование и эволюция — ламаркистский аспект»: «В последние годы специалисты по молекулярной биологии установили, что геном гораздо более подвержен влиянию среды, чем это предполагалось ранее. Также они установили, что информация может быть передана потомкам иными средствами, нежели базовая последовательность ДНК» [Jablonka and Lamb 1995].
Итак, мы вернулись к тому, с чего я начал эту главу, — к среде. Работая в лаборатории, я сам неоднократно наблюдал, как изменения среды влияют на изучаемые мною клетки. Но только в конце моей научной карьеры, в Стэнфорде, я осознал роль среды по-настоящему. Я обратил внимание на то, как, в зависимости от состояния среды, меняются эндотелиальные клетки, выстилающие изнутри кровеносные сосуды. Стоило мне добавить в тканевую культуру раздражающие химические вещества, эти клетки быстро превращались в некое подобие макрофагов — мусорщиков иммунной системы. И что поразило меня больше всего — это происходило даже в том случае, если я разрушал их ДНК с помощью гамма-лучей [Lipton 1991]!
Через двадцать лет после того, как мой учитель Ирв Кенигсберг посоветовал мне обращать внимание на среду, если с клетками что-то не в порядке, я наконец-то в полной мере понял сокрытую в его словах истину. ДНК не управляет живыми организмами, и ядро — не «мозг» клетки. Жизнь клеток, точно так же как ваша или моя, обусловлена тем, среди чего они живут. Так что, завершая эту главу, мне остается еще раз повторить: это же среда, тупицы!
Теперь, когда мы познакомились с работой белковых внутриклеточных механизмов, опровергли представление, что ядро клетки является ее «мозгом», и уяснили ключевую роль окружающей среды, пора рассмотреть одну довольно ценную штуку — нечто такое, что, вполне вероятно, поможет вам отыскать смысл вашей жизни и подскажет, как именно вы можете изменить ее к лучшему,
В этой главе вы познакомитесь с моим кандидатом на роль истинного «мозга» клетки — с клеточной мембраной. Я уверен, что, когда вам станет ясно, как она работает, вы вслед за мной будете называть ее волшебницей. Следующая глава даст вам возможность взглянуть на деятельность волшебницы-мембраны с точки зрения квантовой физики. Тогда вы окончательно поймете, насколько неправы были бульварные газеты в 1953 году. Истинная тайна жизни заключена вовсе не в пресловутой двойной спирали ДНК. Она — в элегантно простых биологических механизмах волшебницы-мембраны, преобразующих сигналы окружающей среды в поведение клеток.
В 1960-х годах, когда я только начинал изучать цитологию, всякого, кто высказал бы мысль, что мембрана — это «мозг» клетки, подняли бы на смех. В те времена ученые не видели в ней ничего особенного. Клеточная мембрана была для них всего лишь трехслойной полупроницаемой упаковкой, не позволявшей вытечь цитоплазматическому содержимому клетки.
Одна из причин столь пренебрежительного отношения к клеточной мембране в том, что она очень тонка, ее толщина — всего лишь семь миллионных долей миллиметра. При такой толщине клеточную мембрану можно рассмотреть разве что в электронный микроскоп (кстати, изобретенный уже после Второй мировой войны). Так что до 50-х годов XX века биологи даже не могли экспериментально подтвердить, что она вообще существует; многие ученые думали, что цитоплазма клетки не растекается только потому, что имеет желеобразную консистенцию.
Поразительные способности клеточной мембраны были открыты в процессе изучения самых примитивных организмов на нашей планете — прокариот*. Прокариоты состоят из капельки водянистой цитоплазмы, заключенной в клеточную мембрану. Однако при этом их существование вполне осмысленно! Они, точно так же как и более сложные клетки, поглощают пищу, переваривают ее, дышат, выделяют наружу отходы и даже демонстрируют «нервную» деятельность. Прокариоты чувствуют, где находится пища, и передвигаются к этому месту, распознают опасные для них вещества и микроорганизмы и целенаправленно их избегают. Иными словами, они демонстрируют вполне разумное поведение.
Но что придает клетке-прокариоте «разумность»? Ведь, в отличие от более высокоразвитых клеток-эукариот, в ее цитоплазме нет таких оформленных органелл, как ядро или митохондрии. Единственная клеточная структура прокариоты, которую можно рассматривать в качестве кандидата на роль ее «мозга», — мембрана.
Хлеб, масло, оливки и душистый перец
Более или менее свыкшись с идеей, что клеточные мембраны — неотъемлемый атрибут разумно организованной жизни, я решил как следует разобраться в их структуре и функциях. В результате у меня получилась своеобразная гастрономическая аналогия (шуточная, разумеется). Представьте себе бутерброд — два куска хлеба со слоем масла между ними. Чтобы аналогия была более полной, украсим наш бутерброд двумя видами оливок — обычными и фаршированными душистым перцем. (Я слышу возмущенные протесты гурманов!)
Теперь проведем простой эксперимент. Соорудим бутерброд (пока без оливок) — в нашем эксперименте он будет изображать участок клеточной мембраны. Затем выльем на него сверху чайную ложку подкрашенной жидкости.
Как хорошо видно на фотографии, подкрашенная жидкость проникает сквозь верхний кусок хлеба, но ее останавливает масло.
Теперь сделаем еще один бутерброд и натыкаем в масло фаршированных и нефаршированных оливок. Польем его окрашенной жидкостью и посмотрим, что у нас получилось. Оливки, фаршированные душистым перцем, остановили окрашенную жидкость не хуже масла.
А вот пустотелая оливка с вынутой косточкой образует в бутерброде канал, пройдя сквозь который жидкость достигает нижнего куска хлеба и просачиваться на тарелку.
В нашей аналогии бутерброд — это трехслойная, на первый взгляд непроницаемая клеточная мембрана; хлеб и масло соответствуют одному из двух основных компонентов клеточной мембраны — фосфолипидам (полушутя-полусерьезно я называю их «двуличными»); другой основной компонент клеточной мембраны — белки, в нашем случае — оливки, мы рассмотрим чуть позже; тарелка — цитоплазма клетки, а окрашенная жидкость — информация и жизненно необходимые клетке питательные вещества.
