26 июня 2000 г. президент США Клинтон и британский премьер-министр Тони Блэр, каждый в окружении нескольких ученых с мировым именем, провели совместную пресс-конференцию по спутниковой связи, чтобы выступить с эффектно обыгранным заявлением об очередном «грандиозном англо-американском проекте»[129]. Поводом для этого заявления стала публикация результатов первоначальной расшифровки генома человека, определившей точный порядок последовательности оснований почти всей нашей ДНК.

Этот исторический момент взволновал всех без исключения, вне зависимости от вероисповедания и убеждений. «Сегодня мы изучаем язык, на котором Бог создавал жизнь», – провозгласил Билл Клинтон, а Ричард Докинз, биолог-эволюционист и убежденный атеист, заявил: «Наряду с музыкой Баха, сонетами Шекспира и лунной программой "Аполлон", проект "Геном человека" является одним из тех достижений человеческого духа, которые заставляют меня гордиться тем, что я принадлежу к человечеству»[130].

Другие ученые и популярные издания не отставали от них по части высокопарных заявлений. Утверждалось, что идентификация всех человеческих генов позволит создать новые методы борьбы с болезнями и откроет новую эру по-настоящему персонализированной медицины. Некоторые ученые предполагали, что, секвенировав геном отдельного человека, можно в деталях увидеть его судьбу: сильные и слабые стороны, способности и таланты, предрасположенность к болезням, скорость старения и возможную продолжительность жизни.

Торжественная церемония, во время которой было сделано это заявление, стала кульминацией долгого и трудного пути. Много лет международный консорциум ученых, преимущественно из США и Великобритании, финансируемый из национальных бюджетов и биомедицинских благотворительных фондов вроде Wellcome Trust, медленно, но неуклонно шел к цели, определяя последовательность нуклеотидов в одном участке ДНК за другим. Организация называлась общественным консорциумом, потому что получала значительное государственное финансирование и приняла обязательство сделать полученные данные доступными для всех.

Затем, в начале 1990-х гг., в гонку вступил Дж. Крейн Вентер, прославившийся тем, что первым полностью расшифровал геном бактерии Haemophilus influenzae. Вентер был белой вороной среди коллег[131]. Он вел жизнь типичного американского предпринимателя и капиталиста, бороздил океаны на яхте и нередко путешествовал на частном реактивном самолете. Одна из немногих моих с ним встреч произошла в лаборатории Колд-Спринг-Харбор на конференции, посвященной 150-летию выхода знаменитого труда Чарльза Дарвина «Происхождение видов», на которой Вентер, едва сойдя с самолета, выступил с лекцией и немедленно снова улетел, поскольку у него явно имелись дела поважнее, – в отличие от тех, кто, как и я, остался до конца конференции, длившейся целую неделю. Ранее, во время работы в Национальных институтах здравоохранения (National Institutes of Health, NIH) в Бетесде (штат Мэриленд), крупном государственном учреждении, занимающемся биомедицинскими исследованиями, Вентер вызвал в академическом сообществе громкий скандал, попытавшись запатентовать последовательности фрагментов человеческой ДНК с целью их коммерческого использования для лечения и диагностики. Решение NIH[132] дать этому начинанию зеленый свет побудило Джеймса Уотсона, первого директора Национального центра исследования генома человека, уйти с этого поста. Хотя NIH и подал заявку на патент на имя Вентера, тот позже заявил, что всегда был противником этой организации[133].

Вентер считал, что общественный научный консорциум работает слишком медленно, а метод, которым сам ученый воспользовался для секвенирования миллиона оснований у бактерии, вполне можно использовать более широко, например для расшифровки последовательности около трех миллиардов оснований человеческого генома, с гораздо меньшими затратами. С этой целью он основал частную компанию под названием Celera. Разумеется, Вентер не погнушался использовать в своих целях и данные по обширным участкам человеческого генома, которые общественный консорциум секвенировал еще до того, как он сам вступил в гонку. Столь бесцеремонное поведение Вентера возмутило многих ученых, работающих в той же области, и они твердо вознамерились не допустить патентования генома человека, как и геномов всех других живых существ, в интересах частных компаний, оставив их доступными для всего человечества.

В числе других против Вентера выступил Джон Салстон, один из руководителей общественного консорциума. Он был полной противоположностью Вентера. Несмотря на большую известность и влияние, Салстон носил потрепанную одежду и сандалии, на манер хиппи 1960-х гг. Жил он в весьма скромном доме и в лабораторию ездил на старом велосипеде. Являясь одним из самых ярых сторонников свободного доступа к геному для всех ученых[134], Салстон выступал с резкой критикой как мотивов, так и вклада Вентера в научные исследования. Перед завершением работы по подготовке «черновой» версии[135] генома человека отношения между участниками общественного консорциума и Вентером накалились настолько, что президенту Клинтону пришлось вмешаться лично, чтобы во время пресс-конференции противники соблюдали приличия.

Несмотря на всю поднятую шумиху, черновая версия генома, о которой шла речь в заявлении Клинтона и Блэра, была далеко не полной. Больших фрагментов генома все еще недоставало, особенно участков, составленных из повторяющихся «букв» и потому особенно трудных для расшифровки, и ученым еще предстояло выяснить, как на самом деле некоторые секвенированные участки ДНК стыкуются между собой. О полной расшифровке последовательности ДНК объявили[136] спустя три года, хотя в действительности даже сегодня остаются некоторые пробелы, в том числе в Y-хромосоме, мужской половой хромосоме. (Напомним, что у женщин две X-хромосомы, у мужчин – одна X– и одна Y-хромосома.)

Последовательность человеческого генома нередко называют «книгой жизни», но это не совсем верно. На самом деле даже полностью расшифрованная последовательность скорее похожа на длинную строку без знаков препинания, чем на книгу. Такой текст не будет разбит на главы и абзацы, даже на предложения, там не будет перекрестных ссылок, чтобы обеспечить единый контекст. Этот текст точно не будет похож на тщательно подготовленную энциклопедию, где можно найти нужный ген и узнать все и о нем, и обо всех его внешних связях. И, если честно, значительная часть этой последовательности не поддается расшифровке. Лишь около 2 % нашей ДНК кодирует белки, выполняющие большинство жизненных функций. Остальное составляет то, что биологи когда-то отбрасывали как «мусорную ДНК»; сейчас они все больше склоняются к выводу, что эта часть тоже важна, но пока не понимают, чем и почему.

Сначала ученые даже не знали, где находятся многие гены, кодирующие белки, потому что сигналы, отмечающие начало и конец гена, не всегда очевидны. Их поиск осложняется также наличием так называемых псевдогенов – участков, которые, по всей видимости, когда-то кодировали белки, но больше не экспрессируются или не функционируют. Многие псевдогены произошли от вирусов, которые встроили свои гены в нашу ДНК. Наконец, даже знание последовательности гена само по себе не позволяет автоматически определить его функцию. Тем не менее секвенирование генома было грандиозным стартом. Оно позволило нам ставить вопросы и проводить эксперименты, которые невозможно было представить прежде. Это событие стало переломным моментом в биологии.

Вы также могли подумать, что в книге жизни можно найти точные сведения о том, как будут развиваться и чем завершатся наши индивидуальные истории. Что ни говори, а ДНК – это носитель всей генетической информации, главный регулятор, контролирующий биологические процессы. Разве мы, зная точно всю последовательность ДНК, не можем предсказать, как будет развиваться клетка или организм? Конечно, нам удалось связать многие болезни с мутациями в том или ином гене, например муковисцидоз, рак молочной железы, болезнь Тея – Сакса и серповидноклеточную анемию. Но в целом в биологии все не настолько жестко детерминировано.

Представление о том, что ДНК определяет судьбы людей, опровергают истории однояйцевых близнецов. У них одни и те же гены, и они зачастую поразительно похожи, даже если разлучены при рождении. Это неудивительно. Удивительно другое: однояйцевые близнецы, выросшие в одних условиях, зачастую сильно отличаются друг от друга, даже если речь идет о заболеваниях, в значительной мере задаваемых генами, например о шизофрении.

Каждый из нас – живое свидетельство того, что сама по себе ДНК не определяет судьбу. Все наши клетки происходят от одной-единственной зиготы, которая, делясь, производит новые клетки с одним и тем же набором генов. Однако эти гены дают начало множеству разных клеток. Клетки кожи радикально отличаются от нейронов, или от клеток мышечной ткани, или от лейкоцитов крови. Как мы знаем, различные гены активируются и отключаются в ответ на изменения окружающей среды. Из этого следует, что разные клетки, оказываясь в различных обстоятельствах, экспрессируют разные гены и идут отличающимися путями при формировании разных тканей организма. Важно отметить, что обратить вспять эти процессы невозможно – даже если выращивать различающиеся клетки в одной среде, они сохранят свою природу, как будто все еще помнят, из какой ткани они происходят.

Это позволяет предположить, что под воздействием окружающей среды в генетической программе клеток произошли какие-то довольно устойчивые изменения. Изучающая их наука[137] называется эпигенетикой: греческая приставка ἐπι– означает «над, сверху» и предполагает наличие второго уровня контроля над нашими генами. Термин предложил в 1942 г. британский ученый и эрудит, специалист по генетике животных Конрад Уоддингтон. Для описания процесса он прибегал к метафоре «эпигенетического ландшафта». Оплодотворенную яйцеклетку, говорил он, можно сравнить с мраморным шариком на вершине горы. Еe потомство «cкатывается» разными путями к подножию горы по различным долинам и ущельям, где каждая низина представляет собой отдельный тип клеток. Оказавшись в низине, уже невозможно закатиться обратно на вершину или перекатиться через гребень и попасть в соседнюю долину. Иными словами, как только определился тип клетки, она уже не может его изменить – клетка кожи никогда не превратится в лимфоцит. Точно так же клетка кожи не сможет повернуть в своем развитии вспять, снова стать зиготой и дать начало совершенно новому организму.

Поначалу многие подвергали Уоддингтона резкой критике, считая его ламаркистом, то есть сторонником теории биолога-эволюциониста Ламарка, говорящей о том, что приобретенные признаки могут наследоваться, – эта концепция была опровергнута теорией эволюции путем естественного отбора, сформулированной Дарвином и Уоллесом. Гипотеза Уоддингтона, на первый взгляд, предполагала, что окружающая среда каким-то образом необратимо влияет на гены. Даже у тех, кто принимал его идеи, они вызывали некоторые вопросы. В какой момент геном в клетке изменяется настолько, что больше не может управлять развитием целого организма? И как далеко по склону Уоддингтоновой горы может скатиться шарик, чтобы все еще иметь возможность каким-то образом вернуться на вершину?

Во времена Уоддингтона никто не знал о структуре ДНК и о том, как именно она хранит генетическую информацию. Но уже тогда было известно, что оплодотворенная яйцеклетка, или зигота, представляет собой совершенно особенную клетку: она содержит необходимый генетический материал, и в ее цитоплазме, то есть внутренней среде, по-видимому, имеется все, что требуется для запуска процесса, который превращает клетку в новый организм. Оплодотворенная яйцеклетка считается тотипотентной, то есть такой, которая может развиться во все типы клеток, необходимые для строительства нового организма, включая само тело и плаценту. После нескольких делений зародыш достигает стадии бластоцисты, которая представляет собой пару сотен клеток, окружающих заполненную жидкостью полость. Внешний слой клеток позже образует плодные оболочки и участвует в образовании плаценты, а внутренняя масса клеток у одного из полюсов бластоцисты развивается во все остальные ткани, которые сформируют новый организм. Эти внутренние клетки, из которых образуются все клетки организма, называются плюрипотентными.

Уоддингтонова метафора горы наглядно показывает развитие специализированных клеток из плюрипотентной стволовой клетки

Развитие бластоцисты с момента оплодотворения яйцеклетки

Чем же обусловлена эта особая природа оплодотворенной яйцеклетки – геномом или средой? И если второе, то можно ли взять ядро, содержащее гены какой-нибудь узкоспециализированной клетки, поместить в яйцеклетку с удаленным собственным ядром и таким образом превратить специализированную клетку в тотипотентную, которая разовьется в нормальный организм? Именно таким вопросом задавались Роберт Бриггс и Томас Кинг из Института исследований рака (ICR) и Научно-исследовательского института больницы Ланкенау (LHRI). В 1952 г. они провели такой эксперимент с леопардовой лягушкой (Rana pipiens), так как ее икринки (яйцеклетки) крупные и прозрачные и с ними легко работать под микроскопом. Бриггс и Кинг обнаружили, что из икринки, в которую вместо удаленного ядра поместили ядро клетки бластоцисты, может развиться нормальный головастик. Но, если ядра взяты из клеток на более поздних этапах развития эмбриона, икринка развивается лишь частично, затем прекращает делиться и умирает. Таким образом, клетки эмбриона уже на относительно раннем этапе развития жестко запрограммированы. Они слишком далеко спустились[138] по склону метафорической горы Уоддингтона и не могут взобраться обратно на вершину.

В то время ученые не знали, происходит ли это потому, что специализированные клетки утрачивают части генома, необходимые для формирования организма с нуля, или в них существует нечто препятствующее развитию дальше определенной стадии. И тут появился молодой ученый, которому предстояло провести один из самых знаменитых экспериментов в истории современной биологии.

ПРИ ПЕРВОЙ ВСТРЕЧЕ С ДЖОНОМ ГЕРДОНОМ меня прежде всего поразила копна золотистых волос, придававшая ему сходство со львом. К тому времени ему уже исполнилось 70 лет, он был всемирно известным ученым и работал в институте, названном в его честь, находящемся в центре Кембриджа, километрах в пяти от моей лаборатории. Несмотря на свой авторитет в мире науки, Гердон держался скромно и обходился учтиво со всеми, от первокурсников до своих коллег. В возрасте, когда многие ученые уже давно ушли на покой, Гердон по-прежнему увлеченно занимался наукой и проводил собственные эксперименты. Однако начиналась его научная карьера отнюдь не гладко.

Гердон был выходцем из аристократического рода, его норманнские предки пришли в Англию в 1066 г. с Вильгельмом Завоевателем. Как и многие мальчики из привилегированных семей, в 13 лет он поступил в Итонский колледж, престижную частную школу. Однако его учеба там началась не вполне удачно, поскольку по итогам первого естественно-научного курса преподаватель биологии дал о нем весьма нелестный отзыв. Не совсем уместно выделяя слова прописными буквами, что уже пару столетий как вышло из моды у всех, кроме некоторых представителей британских правящих кругов, он писал: «Полагаю, мальчик подумывает стать Ученым; при его нынешних успехах об этом нечего и мечтать: он не в состоянии усвоить базовые Биологические факты и не сможет выполнять работу Специалиста, так что это будет лишь пустой тратой времени как для него самого, так и для тех, кому придется его обучать». Гердону не позволили дальше заниматься естественными науками. Вместо этого он начал изучать языки[139].

Однако Гердон с детства проявлял огромный интерес к природе и биологии и его не так просто оказалось сбить с этого пути. К счастью для науки, родители Джона верили в него и знали, как ему помочь. Истратив изрядную сумму за несколько лет обучения в Итоне, по окончании школы они оплатили сыну дополнительный год занятий с индивидуальным преподавателем-биологом. В порядке исключения Джона приняли в Оксфордский университет при условии, что после года учебы на неформальных основаниях он сдаст экзамены по физике, химии и биологии. Гердон прошел испытание, был зачислен на курс зоологии, а затем начал диссертационное исследование под руководством Майкла Фишберга, который тоже работал в Оксфорде. Это было спустя всего четыре года после экспериментов Бриггса и Кинга с лягушками.

Фишберг предложил Гердону повторить их эксперименты, но использовать другой вид амфибий: гладкую шпорцевую лягушку (Xenopus laevis). Первоначально считавшаяся жабой, она заинтересовала биологов с подачи Ланселота Хогбена, довольно непоседливого британского ученого, который переехал из Англии в Канаду, а затем, в 1927 г., стал профессором Кейптаунского университета в Южной Африке. Там Хогбен начал изучать эту лягушку, обладавшую некоторыми свойствами хамелеона. В дальнейшем шпорцевая лягушка стала[140] любимым модельным организмом для эмбриологов: у нее не только крупные икринки, как у тех лягушек, которых изучали Бриггс и Кинг, но и короткий жизненный цикл, а откладывать икру она может, если стимулировать этот процесс внешними гормонами, в любое время года.

Преодолев некоторые технические трудности, Гердон приступил к эксперименту со шпорцевыми лягушками, которому предстояло произвести революцию в биологии. Ему удалось успешно извлечь ядро из клетки слизистой оболочки, выстилающей кишечник головастика, и поместить его в яйцеклетку, собственное ядро которой было инактивировано с помощью большой дозы ультрафиолетового излучения. Модифицированная яйцеклетка развилась в нормального головастика, и это позволяло предположить, что ядро клетки кишечника содержит всю необходимую информацию о развитии организма, как и ядро яйцеклетки. Чтобы исключить вероятность неполной инактивации собственного ядра яйцеклетки, Гердон позаботился о том, чтобы клетку – донора ядра и яйцеклетку-рецепиента брали у животных из двух различных штаммов Xenopus. Поэтому не оставалось сомнений в том, что развитием головастика руководило донорское ядро. Строго говоря, поскольку гены нового головастика были идентичны генам донора ядра, он представлял собой клон родителя. Это был первый случай[141], когда ученый, взяв ядро клетки из полностью сформированной особи, смог вырастить новую особь-клон.

Работа Гердона вызвала огромный резонанс в научном сообществе. Он продемонстрировал, что ядро соматической клетки взрослой особи способно управлять формированием совершенно нового организма – клона того, из клетки которого взято ядро. Это означало, что соматическая клетка может пройти обратный путь к началу своего развития – в сущности, вернуться на вершину Уоддингтоновой горы. Клетка может перевести часы старения назад и, начав все сначала, вырасти в совершенно новый организм. И это означало также, что клетки, образующие специализированные ткани, например ткани кишечника, сохраняют все гены. Специализируются они не потому, что «предпочитают» потерять часть генов, а потому, что в каждом случае клетки каким-то образом решают, какие гены включать, а какие отключать.

Впоследствии другие ученые повторили[142] эксперименты Гердона с другими видами животных, но с млекопитающими до 1996 г. не работал никто. В 1996 г. ученые из Рослинского института в Эдинбурге получили клонированную овцу по кличке Долли из клетки, взятой из молочной железы взрослого животного. Эта новость вызвала невероятную сенсацию во всем мире. Развернулась горячая дискуссия об этических аспектах клонирования, охватившая широкий круг проблем, от благополучия животных до вероятности наступления «дивного нового мира», в котором состоятельные люди, возжелавшие вечной жизни, будут клонировать себя или утраченных близких. (Похоже, абсурдность этого проекта упускалась из виду.) Сегодня клонирование успешно опробовано на целом ряде биологических видов, но по очевидным этическим причинам во всем мире запрещено клонировать людей.

Несмотря на весь ажиотаж вокруг них, ранние эксперименты Гердона не отличались высокой эффективностью: успешно трансплантировались далеко не все ядра. В остальных случаях либо попытки сразу оканчивались неудачей, либо развивались дефектные эмбрионы, которые прекращали расти и умирали. И все 60 лет после первых экспериментов Гердона и более четверти века после появления на свет овечки Долли ученые усердно трудились над повышением успешности клонирования, но пока эта технология все еще остается неэффективной.

Естественный способ получения потомства работает значительно лучше.

САМАЯ БОЛЬШАЯ ПРОБЛЕМА ЧЕЛОВЕКА, по сравнению, скажем, с морской звездой, заключается в том, что мы не можем регенерировать свои органы и части тела. Если человеку отрезать руку, новая у него не вырастет. И вскоре после первых экспериментов с пересадкой ядер ученые начали задаваться вопросом, нельзя ли заставить ранние клетки эмбриона по команде развиваться в клетки той или иной ткани, например клетки сердечной мышцы, поджелудочной железы или нейроны? Если бы такую идею удалось осуществить на практике, это открыло бы огромные возможности для медицины. Более того, одной из основных проблем, возникающих с возрастом, является деградация тканей – и хорошо было бы найти способ их восстановления и омоложения.

Хотя мы не можем восстанавливать утраченные конечности, некоторые виды тканей мы все-таки способны успешно регенерировать. Всякий раз, когда вы порежетесь или получите ссадину, организм создает новую кожу, а когда сдаете кровь – восполняет ее нехватку. Как он это делает? Многие клетки в нашем организме являются терминально дифференцированными – они достигли конечной стадии развития и будут просто выполнять предписанные им функции, пока не умрут. Однако есть и другие, высокоспециализированные клетки, отвечающие за производство новых клеток для регенерации стареющих тканей. Их называют стволовыми.

Стволовые клетки тоже могут находиться на разных этапах развития. Многие из них уже спустились довольно далеко по склону горы Уоддингтона и могут развиться лишь в клетки нескольких типов. Например, кроветворные (гемопоэтические) стволовые клетки в костном мозге способны генерировать все типы клеток крови, включая эритроциты и клетки иммунной системы. Однако они не могут стать клетками печени или сердечной мышцы. В то же время внутренние клетки эмбриона на ранней стадии развития являются плюрипотентными стволовыми клетками и могут развиваться в клетки любой ткани организма.

Ученые научились получать эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), поддерживать их в культуре, а затем, изменяя условия, заставлять развиваться в тот или иной тип клеток. Возможность выращивать ЭСК[143] в культуре устранила необходимость каждый раз извлекать их из свежих эмбрионов и способствовала резкому росту исследований в этой области. Однако основным источником ЭСК все же оставались эмбрионы – их часто извлекают из эмбриональных тканей, что вызывает этические вопросы и требует тщательного контроля со стороны регулирующих органов. В США одно время не выделялись федеральные гранты на исследования, связанные с человеческими ЭСК, и институтам приходилось четко разделять программы, финансируемые и не финансируемые из федерального бюджета.

Казалось едва ли не чудом, что можно взять любую взрослую клетку и «убедить» ее развиться в клетку любой другой ткани по твоему желанию – и даже в целый живой организм. Какое же свойство стволовых клеток, особенно плюрипотентных, так отличает их от всех остальных клеток нашего организма?

В поисках ответа на этот вопрос молекулярные биологи проводили исследования, чтобы выявить транскрипционные факторы – белки, регулирующие экспрессию генов, то есть включающие и выключающие гены и задающие уровень экспрессии. Они называются так, потому что определяют, будет ли данный ген транскрибироваться в мРНК и затем считываться в рибосоме для синтеза соответствующего белка. Стволовые клетки содержат большое число активных факторов транскрипции, и некоторые из них необходимы для поддержания роста этих клеток в лаборатории. Выдвигалась гипотеза, что недавно оплодотворенная яйцеклетка обладает похожим набором этих факторов, который и позволяет ей развиться в новый организм. Некоторые из факторов транскрипции активны также в раковых клетках, которые могут размножаться бесконечно.

Таково было положение дел в конце 1990-х гг., когда проблемой заинтересовался японский ученый Синъя Яманака. Яманака родился в 1962 г., то есть в тот же год, когда Джон Гердон успешно клонировал лягушку. Он начал свою карьеру в качестве хирурга, отчасти под влиянием отца, инженера, руководившего небольшой фабрикой в городе Хигасиосака. Однако вскоре его энтузиазм угас: он не только разуверился в своих навыках, но и увидел ограниченность хирургии, которая ничем не может помочь пациентам с трудноизлечимыми заболеваниями или повреждениями, например ревматоидным артритом или травмами спинного мозга. Яманака решил, что посвятит жизнь фундаментальной науке и попытается найти способы лечения для таких людей. Он защитил диссертацию в Осаке и отправился в Глэдстонский институт сердечно-сосудистых заболеваний в Сан-Франциско, чтобы продолжать исследования.

В конце 1990-х гг. Яманака вернулся в Японию, чтобы основать собственную лабораторию. К тому времени ученые знали, что ЭСК экспрессируют довольно много транскрипционных факторов. А если включить какие-то из этих факторов (или все) в обычной клетке, удастся ли заставить ее вести себя как стволовая? Яманака и его студент Кадзутоси Такахаси надеялись на успех. Они определили 24 фактора, которые могли бы отвечать за плюрипотентность ЭСК, и постоянно вводили их в фибробласты, клетки кожи и соединительной ткани – те самые клетки, которые пытался культивировать Хейфлик. Экспериментируя с транскрипционными факторами в различных комбинациях[144], исследователи обнаружили, что для превращения взрослой клетки-фибробласта в плюрипотентную клетку достаточно всего четырех из них.

Благодаря экспериментам Яманаки больше не нужно извлекать клетки из эмбрионов для выращивания плюрипотентных клеток: теперь мы умеем получать их из других клеток взрослого организма. Плюрипотентные клетки, созданные с использованием факторов Яманаки, называются индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК). Упрощение производства ИПСК привело к значительному прорыву в области изучения стволовых клеток. Ученые постоянно повышают эффективность и безопасность этого процесса и используют все более совершенные методы определения возможных путей развития стволовых клеток.

НЕСМОТРЯ НА ВСЕ ЭТИ ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ, мы так и не знаем точно, какие процессы в геноме заставляют клетки вести себя настолько по-разному, притом что ДНК у всех одинаковая. Почему у разных клеток столь различные генетические программы? И почему клетка одного типа не может вдруг превратиться в клетку другого типа? Даже гемопоэтические стволовые клетки, которые дают начало различным клеткам крови, не дифференцируются в нейроны или клетки кожи.

В каждой клетке есть гены, которые экспрессируются всегда, поскольку любой клетке они необходимы. Их называют генами домашнего хозяйства. Что касается других генов, то какие из них включать, а какие оставлять неактивными, в значительной степени зависит от потребностей клетки. Как клетка управляет этим процессом? Вы только что прочитали о транскрипционных факторах – белках, которые отвечают за то, какие гены активно экспрессируются, а какие подавляются. Один из первых и простейших[145] примеров транскрипционного фактора был обнаружен при исследовании того, как бактерия E. coli расщепляет простой сахар лактозу. В природе E. coli с лактозой не сталкивается, поэтому обычно не вырабатывает нужных для ее усвоения ферментов. Так что бактерия действует по обстоятельствам: распознав лактозу, она включает гены, отвечающие за выработку соответствующих ферментов. Когда лактоза заканчивается, клетка эти гены выключает. Это простое и изящное решение: включать и отключать гены в ответ на изменения внешней среды. Значительная часть генной регуляции работает именно так, регулируя транскрипцию в зависимости от внешних стимулов. Механизм контроля обычно не столь прост, как в случае с лактозой, и, как правило, предполагает наличие сложной сети, в которой активируемые гены, в свою очередь, активируют или отключают другие гены, которые также влияют на целые группы генов.

В случае с бактерией E. coli можно изменить реакцию на лактозу, просто убрав лактозу из культуры. Но, если поместить клетку кожи, например, в печень, она не станет вдруг вести себя как клетка печени. Транскрипционные факторы у клеток кожи и печени различаются; к тому же у клеток имеется механизм, который обеспечивает закрепление изменений генной программы надолго, и он предполагает переподключения программы самой ДНК.

До сих пор мы представляли ДНК как простой текст, в котором с помощью четырех символов записана вся информация, необходимая для производства белков, выполняющих различные жизненно важные функции. Но еще до того как стала известна структура ДНК, ученые понимали, что небольшая часть ее четырех оснований A, T, C и G (или U, эквивалентное T в РНК) имеет дополнительные химические группы. Однако первое время никто не понимал, для чего служат такие модификации оснований.

В настоящее время нам известно, что многие из этих дополнительных химических групп – это своего рода метки, которые сигнализируют, должен ли ген быть включен или выключен на продолжительный срок. Самый обычный случай – это метилирование, то есть добавление метильной группы (–CH₃) к цитозину (C). Если цитозины в нужном месте метилированы, то находящийся непосредственно за ними ген останется отключенным.

В процессе развития клетка метилирует свою ДНК перед теми генами, которые необходимо отключить, и оставляет неметилированными те участки, где гены должны активно работать. Поэтому клетки, которые дифференцируются в клетки кожи, имеют иную картину распределения метилированных цитозинов, чем, например, нейроны.

Можно было бы предположить, что при делении клеток[146] и копировании ДНК общая картина метилирования утрачивается, поскольку копия ДНК создается из новых строительных блоков, но у клетки есть оригинальный способ восстановления паттерна метилирования материнской клетки. Это означает, что при делении паттерн метилирования с большой точностью передается дочерней клетке и гены, отключенные у определенной клеточной линии, так и останутся отключенными. Наблюдается и обратный процесс: существуют деметилазы, которые удаляют метильные группы, тем самым позволяя отключенным генам включаться вновь. Модификация ДНК описанным способом обеспечивает дополнительный (помимо использования факторов транскрипции) уровень контроля за тем, какие гены будут включаться, а какие отключаться. Более того, этот механизм гарантирует передачу изменений следующему поколению клеток. Метилирование ДНК меняет очередность использования генов. Такие молекулярные метки называются эпигенетическими маркерами, или модификациями, потому что они позволяют с молекулярной точки зрения объяснить феномен «эпигенетического ландшафта», впервые описанного Конрадом Уоддингтоном.

Эпигенетические маркеры не только сохраняются и даже накапливаются с возрастом – они могут даже передаваться по наследству. В конце Второй мировой войны, с сентября 1944 по май 1945 г., в Нидерландах случился жестокий голод, унесший жизни более 20 000 человек. Последующие научные исследования показали, что, несмотря на небольшую продолжительность голода, дети, чье внутриутробное развитие пришлось на те месяцы, всю жизнь страдали от неблагоприятных для физического и психического здоровья последствий. У них наблюдались более высокие показатели ожирения, диабета и шизофрении, а смертность была выше, чем у детей, выношенных раньше или позже голодных месяцев. Эти последствия сказывались в разной степени, в зависимости от того, пришелся ли голод на начало или конец беременности. Сравнение ДНК людей, переживших голод в материнской утробе, с ДНК их младших и старших братьев и сестер показало, что в результате недостатка питания у плода сформировался такой паттерн метилирования, который сохранял влияние до конца жизни человека и ускорял развитие возрастных болезней и наступление смерти. Это яркий пример[147] того, как давление среды вызывает эпигенетические изменения в ДНК, которые остаются на всю жизнь.

ЕСЛИ ЭТО ДЛЯ ВАС КАЖЕТСЯ НЕ СЛИШКОМ СЛОЖНЫМ, не спешите с выводами: ДНК присутствует в клетках не в виде голой молекулы. Она покрыта плотной оболочкой из белков, называемых гистонами, и этот комплекс ДНК и гистонов называется хроматин. Изучение гистонов помогает нам понять, каким образом вся наша ДНК помещается в микроскопическом клеточном ядре. Если вытянуть в одну линию все молекулы ДНК, заключенные в одной клетке человека, то получится нить длинной примерно 2 м. Между тем диаметр ядра измеряется микронами – то есть он примерно в миллион раз меньше. Гистоны несут положительный заряд и нейтрализуют отрицательные заряды фосфатных групп ДНК. За счет этого ДНК получает возможность плотно упаковываться внутри ядра.

Первый уровень компактизации ДНК – нуклеосомный: ДНК наматывается на шарообразную основу, состоящую из 8 молекул белков-гистонов, образуя так называемую нуклеосому. Далее нуклеосомы самоорганизуются в волокна, из которых сплетаются в петлеобразные структуры, полностью умещающиеся в ядре. В процессе деления хромосомы дублируются и каждая дочерняя клетка получает точные копии всех хромосом, и как вы, готовясь к переезду, заталкиваете все домашние вещи в грузовик, так и хромосома становится наиболее компактной перед делением. Именно в этот момент она приобретает Х-образную форму, которую мы видим на большинстве популярных изображений хромосом. Однако на протяжении большей части жизни клетки хроматин в ней находится в более рыхлом состоянии.

Проблема, связанная с упаковкой хроматина, состоит в том, что у клетки в любой момент должен быть доступ к информации в ДНК. Это все равно что иметь огромную библиотеку в доме, где не хватает места расставить все книги так, чтобы их было легко достать в любой момент. Можно упаковать основную часть в коробки и унести на чердак, а книги, которые читаешь или планируешь прочитать в ближайшее время, расставить удобно на полках или сложить стопками на тумбочке. Клетке тоже приходится следить за тем, чтобы соответствующие участки хроматина оставались доступными, даже если бо́льшую его часть она хочет отключить. И для этого она помечает гистоны, добавляя к ним определенные химические группы. Как и в случае с метилированием ДНК, существуют как ферменты, которые расставляют эти гистоновые метки, так и ферменты, которые их удаляют. Метки на гистонах могут сообщать клетке, что нужно привлечь на этот участок другие белки, чтобы либо инактивировать хроматин, либо распаковать его, а значит, они тоже работают как эпигенетические маркеры. Одной из обычных меток для гистонов служит ацетильная группа, и ферменты, которые ее расставляют, называются гистонацетилазами.

Как правило, метилирование ДНК и ацетилирование гистонов вызывают противоположные эффекты. При метилировании ген, следующий за метилированным участком, обычно блокируется, а ацетилирование гистона, наоборот, сигнализирует о том, что отмеченный ген надо активно транскрибировать. И тот и другой эффект можно обратить вспять, задействовав ферменты деметилазы или деацетилазы.

Цель обеих модификаций состоит в том, чтобы создать поверх самой последовательности ДНК второй и более долговременный механизм изменения программы той или иной клетки. Это позволяет клеткам сохранять стабильную идентичность, т. е. оставаться нейронами, клетками кожи или сердечной мышцы. Когда клетка развивается из оплодотворенной яйцеклетки, должны устанавливаться различные эпигенетические метки для ее преобразования в определенный тип клеток.

ВСЕ ЗНАЮТ, ЧТО ЛЮДИ СТАРЕЮТ с разной скоростью. Кто-то в 50 выглядит стариком, а кто-то удивительно моложав на девятом десятке. Отчасти это зависит от генов, но стресс и житейские трудности ускоряют старение. С самого момента зачатия человека его клетки накапливают не только мутации в ДНК, влияющие прямо на генетический код, – в них накапливаются также эпигенетические маркеры. Как мы видели в истории с людьми, пережившими голод в Нидерландах, некоторые из этих маркеров появляются в результате воздействия внешней среды.

Стив Хорват, работавший в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, не интересовался эпигенетикой, считая такие данные неточными и запутанными и не надеясь найти в них сколько-нибудь полезную информацию о старении. Но как-то раз один из его коллег, собиравший слюну однояйцевых близнецов, различавшихся сексуальной ориентацией, попросил его помочь выяснить, нет ли между образцами эпигенетических различий. У Хорвата есть брат-близнец, который является гомосексуалом, в то время как он сам – традиционной ориентации. Руководствуясь духом научного поиска, братья тоже сдали слюну для исследования. Изучив метилирование цитозинов[148], ученые не увидели никакой связи между паттерном метилирования и сексуальной ориентацией.

Однако после этого в распоряжении Хорвата оказался большой массив данных о близнецах разного возраста. Он решил тщательно проанализировать их в надежде обнаружить какие-либо закономерности. И выявил довольно выраженную корреляцию между паттерном метилирования ДНК и возрастом. Тогда он исследовал клетки других тканей и соотнес паттерн метилирования с характерными признаками старения, например теми, которые ваш врач может выявить по результатам анализа крови, оценив состояние печени, почек и пр. Хорвату удалось идентифицировать 513 участков ДНК[149], по метилированию которых можно предсказать не только вероятность смерти, но и риск развития рака и болезни Альцгеймера, а также продолжительность здоровой жизни.

Выявленные закономерности помогли ученым вплотную подойти к решению одной фундаментальной проблемы. Если биологическое старение у людей происходит с разной скоростью, то как его измерять? Паттерн метилирования – это своего рода биологические часы[150], и на самом деле предсказать по ним возникновение возрастных болезней и вероятность смерти можно даже точнее, чем по календарному возрасту. Многие другие исследовательские группы разработали[151] собственные «часы метилирования» с несколько иными маркерами, и все они хорошо коррелируют с биологическим возрастом. И все же, как отмечают сам Хорват и его коллеги, эти часы полезны для исследований, но пока не могут заменить лабораторные анализы, которые позволяют оценить, в какой степени утрачены физиологические функции, и обеспечивают раннюю диагностику заболеваний.

Мы даже не думаем, что маленькие дети могут стареть. Действительно, бо́льшую часть детства и подросткового периода человек становится крепче и вероятность умереть для него снижается. Но оказывается, что, после того как паттерн метилирования у раннего эмбриона устанавливается с нуля, что указывает на перевод часов старения назад и омоложение, именно с этого момента метилирование неумолимо начинает отсчет времени. Таким образом, мы начинаем стареть даже еще до рождения! Точно так же считается, что долгоживущий голый землекоп не стареет, потому что риск смерти у него не растет с возрастом. На самом же деле его паттерн метилирования[152] показывает, что стареет и он, просто медленнее, чем другие грызуны.

Ярким примером влияния эпигенетических факторов на продолжительность жизни служит пчелиная семья. У пчел, как и у муравьев, есть царица (матка), которая живет намного дольше других пчел, имеющих абсолютно идентичный с ней набор генов: жизнь матки длится два-три года, а рабочие пчелы живут лишь шесть недель. Отчасти это объясняется тем, что с выбранной «царицей» обходятся по-особому. Она живет в середине улья, за ней ухаживают и ее защищают от хищников, в то время как рабочие особи (как пчелы, так и муравьи) должны выходить наружу в поисках пищи, рискуя жизнью. У пчелиной матки особая диета – маточное молочко, которое имеет иной состав и гораздо богаче питательными веществами, чем обычный нектар и мед, которыми питаются рабочие пчелы. Однако влияние этих факторов еще глубже. Каким-то образом диета матки[153] и обстановка, исключающая стрессы, приводят к тому, что ее эпигенетические маркеры отличаются от маркеров других пчел и она стареет гораздо медленнее.

Вопрос, почему эпигенетические маркеры вызывают старение, довольно сложен. Поскольку эти маркеры связывают с повышением активности сигнальных путей воспаления и блокированием сигнальных путей синтеза РНК и белков, а также репарации ДНК, нетрудно понять, почему они приводят к старению.

Эпигенетические изменения тоже, вероятно, происходят по расписанию. Это не означает, что старение само по себе запрограммировано. Возможно, такие изменения просто происходят тогда, когда они необходимы на определенных этапах развития, но не прекращаются после того, как их цель достигнута, потому что эволюцию не заботит, что будет происходить с вами после того, как вы передали свои гены потомству. Стабильно отключая множество генов в определенном порядке, эпигенетические механизмы, возможно, предупреждают раннее перерождение клеток в раковые. Как и утрата теломер и ответ на повреждения ДНК, это может быть еще одним примером компромисса между предотвращением развития раковых опухолей и замедлением старения.

Возможно также, что многие эпигенетические изменения не запрограммированы, а вызываются случайными событиями во внешней среде. Помните историю об однояйцевых близнецах? Эпигенетические изменения в их ДНК происходят по-разному сразу с момента рождения, поэтому, имея по-прежнему почти идентичную последовательность ДНК, они приобретают совершенно разные эпигенетические маркеры.

МОЖНО ЛИ ЗАПУСТИТЬ ЧАСЫ СТАРЕНИЯ в обратную сторону? Да, и это происходит с каждым из нас без исключения: при зачатии, когда часы старения возвращаются к исходной точке. Ребенок, родившийся у 40-летней женщины, не будет на двадцать лет старше младенца 20-летней матери. Половые клетки первой женщины старше, но их дети все равно будут ровесниками. Старение, накопленное родителями, «обнуляется» у потомства.

В процессе эволюции у нас появилось по меньшей мере три механизма, переводящих время назад. Во-первых, у половых клеток[154] более эффективно происходит репарация ДНК и в них накапливается меньше мутаций, чем в соматических.

Во-вторых, яйцеклетка и сперматозоид перед оплодотворением проходят строгий отбор. У женщины весь запас яйцеклеток формируется еще в процессе ее эмбрионального развития. Вначале их число, вероятно, составляет несколько миллионов, но к моменту рождения уменьшается до приблизительно одного миллиона. К началу полового созревания это число[155] падает до четверти миллиона, а к 30 годам остается всего около 25 000 яйцеклеток. При этом лишь 500 из них за всю ее жизнь будет использовано при овуляции во время менструального цикла. Для сперматозоидов это соотношение еще драматичнее: достигнув полового созревания, мужчина производит их миллионами. То есть существует переизбыток как яйцеклеток, так и сперматозоидов. Зачем это нужно? Перед овуляцией – раз в месяц, когда созревшая яйцеклетка выходит из яичника и попадает в фаллопиеву трубу для возможного оплодотворения, – все яйцеклетки в яичнике каким-то образом проверяются, и если обнаруживаются поврежденные, то они уничтожаются. К овуляции допускаются только те, которые прошли тест. Поскольку с возрастом повреждения накапливаются, наличие такого механизма может объяснить, почему число яйцеклеток резко уменьшается и вероятность зачатия падает. Возможно, и эффективность самого мониторинга снижается, поскольку с возрастом матери риск генетических отклонений у потомства повышается.

Подобным образом могут проходить отбор и сперматозоиды, к тому же сперматозоиду, чтобы оплодотворить яйцеклетку, нужно приплыть к ней первым, обогнав миллионы других. И даже после оплодотворения многие эмбрионы на первых стадиях развития отторгаются, если в них распознаются дефекты. Внутри эмбриона, который в целом развивается нормально[156], также идет конкуренция с целью истребления аномальных клеток. Этот процесс не совершенен, но природа сделала все возможное, чтобы освободить потомство от накопленных нами клеточных повреждений, в том числе вызванных старением.

Третий механизм перезапуска часов старения – непосредственное перепрограммирование генома. Сразу же после зачатия оплодотворенная яйцеклетка, или зигота, некоторое время несет в себе два ядра (пронуклеуса): одно от матери, второе от отца. Ферменты и другие химические вещества в зиготе сразу же стирают почти все эпигенетические маркеры в ДНК каждого из ядер, а затем добавляют новые, чтобы направить зиготу на путь формирования плода. Обратите внимание на мои слова почти все. Зигота, оба ядра которой взяты от одного из родителей, не будет развиваться нормально. Дело в том, что пронуклеусы[157], полученные от матери и отца, несут разные, но взаимно дополняющие друг друга профили эпигенетических маркеров, также называемые геномным импринтингом, которые в совокупности обеспечивают правильную программу развития организма.

Учитывая все тонкости нормального развития, которые мы сейчас описали, удивительно, как вообще удалось клонировать лягушку или создать овечку Долли. Во-первых, геном животных-клонов был получен из соматических клеток взрослого организма, несущих в себе повреждения, накопленные за всю жизнь. Животные, зачатые обычным способом, развиваются из гораздо лучше защищенных половых клеток, которые проходят строжайший отбор как до, так и после оплодотворения. К тому же изменение программы соматической клетки сильно отличается от обычных процессов, происходящих в яйцеклетке. Учитывая все эти трудности, невольно задаешься вопросом: могут ли животные-клоны вообще развиваться нормально? Не проявятся ли у них признаки преждевременного старения или другие аномалии в отличие от естественно зачатых животных? На самом деле все и правда шло не так уж гладко. Большинство клонов не доживают до стадии полностью сформировавшейся особи. Но некоторым это все же удалось, как, например, овечке Долли.

Хотя, конечно, Долли тоже не назовешь здоровым животным. У ее хромосом были аномально короткие теломеры, и ученые признали, что после года жизни Долли по ряду показателей была старше своего календарного возраста. Обычно овцы живут 10–12 лет, но у бедной Долли к шести годам развились опухоли в легких, и ее пришлось усыпить. Впрочем, оказывается, она была не единственной овцой-клоном. Менее известные[158] Дейзи, Диана, Дебби и Дениз, как это ни удивительно, отличались хорошим здоровьем и счастливо прожили обычный овечий век. А это значит, что по крайней мере в теории последствия старения можно обратить вспять, даже если начинать со взрослой соматической клетки – просто перепрограммировав ее. Стирание эпигенетических маркеров и запуск новой программы экспрессии генов могут позволить организму-клону начать жизнь с нуля.

Впрочем, клонирование не главная цель перепрограммирования клеток, даже когда речь идет о сельскохозяйственных животных и растениях. Настоящим результатом стала бы возможность использования стволовых клеток в регенеративной медицине: для восстановления или замены отмерших и поврежденных тканей. Если мы сможем решить технические проблемы, перед нами откроются небывалые и весьма широкие возможности. Вероятно, мы сможем вживлять людям, страдающим диабетом, новые островковые клетки поджелудочной железы, которые будут производить инсулин, а также заменять поврежденную после инфаркта сердечную мышцу и даже восстанавливать нейроны у пациентов, перенесших инсульт или страдающих нейродегенеративными расстройствами, такими как болезнь Альцгеймера. Именно возможностями, которые принесет такой прорыв, объясняется то, почему сегодня в изучение стволовых клеток вкладываются миллиарды долларов.

И хотя не ставится задача полного возвращения к нулевой отметке и создания новых организмов-клонов, с помощью этих стволовых клеток пытаются эффективно обратить старение вспять, восстанавливая или заменяя отдельные части состарившегося организма. Как эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), так и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК) способны развиваться в клетки разных типов тканей, но эти два вида СК не вполне идентичны. ЭСК – это естественные стволовые клетки, присутствующие в организме только на самых первых этапах развития эмбриона; ученые научились их культивировать in vitro (вне организма), а затем программировать на разные сценарии развития, чтобы получать разные ткани, в то время как ИПСК перепрограммируются не собственными факторами в оплодотворенной яйцеклетке, а введением четырех транскрипционных факторов Яманаки (белков, способных регулировать работу генов) в соматическую клетку. Это означает, что их поведение не совсем то же, что у ЭСК. Тем не менее из-за того, что ИПСК проще получать (без необходимости решать юридические и этические проблемы, связанные с использованием ЭСК), многие ученые все усилия направляют на совершенствование метода перепрограммирования клеток, разработанного Синъя Яманаки.

Далее мы увидим, как с помощью этого метода ученые пытаются обратить вспять старение. Они также проявляют большой интерес к перепрограммированию клетки с помощью специальных соединений, ингибирующих метилирование ДНК или деацетилирование гистонов. Сегодня эти технологии омоложения тканей[159] и даже целых организмов – одно из важных направлений научного поиска. Как и в случае с теломеразой, вполне вероятно, что наши эпигенетические механизмы сформировались для того, чтобы обеспечить хрупкий баланс между снижением риска развития раковых заболеваний на ранних этапах жизни и ускорением старения. Таким образом, при разработке любых методов замедления старения или попытках обратить его вспять путем омоложения стоило бы подумать о том, как сделать это безопасно. Действительно, ткани, выращенные с использованием четырех факторов Яманаки, часто отличаются необычно высокой частотой появления новообразований.

В трех предыдущих главах мы рассмотрели, как управляющая нашей жизнью генетическая программа может быть нарушена из-за повреждений генома, накапливающихся с возрастом. Мы узнали, как эта программа сама меняется на ходу, чтобы отвечать потребностям организма на каждом этапе его развития. Результатом работы этой программы является совокупность белков в наших клетках. Эти белки выполняют огромное количество сложных, связанных между собой задач, и в этом они подобны музыкантам большого симфонического оркестра.

Теперь мы посмотрим, что происходит, если такой оркестр начинает играть не в лад и распадается.