Доктор биологических наук б. Ф. Ванюшин Материализация эпигенетики или Небольшие изменения с большими последствиями
XX век принёс нам множество грандиозных событий в естествознании, среди которых не последнее место занимает открытие двойной спирали ДНК. В прошлом году исполнилось ровно 50 лет с той поры, когда Уотсон и Крик (рис. 1) предложили миру структуру ДНК в виде необычной тогда двойной спирали. Исключительное значение этого события прежде всего в том, что они этой структурой объяснили миру, как происходит передача наследственных свойств. На деле реализовался принцип комплементарности (матриц), предложенный выдающимся русским естествоиспытателем Н.К. Кольцовым. Теперь каждому школьнику известно, что в ДНК существуют две „сладкие парочки“ оснований аденин-тимин (AT) и гуанин-цитозин (ГЦ) (рис. 2): А в одной цепи ДНК соответствует Т в другой, аналогичным образом ведёт себя и другая пара ГЦ.
На примере ДНК принцип комплементарности проявляется в том, что одна половинка (цепочка) ДНК структурно дополняет другую. Поэтому ферменты по каждой из отдельных половинок (матриц) могут достроить недостающую половинку; таким образом, в клетке из одной двутяжевой молекулы ДНК возникают две дочерние, как две капли воды похожие на материнскую. Наконец-то обрёл осязаемые черты главный принцип генетики — наследственность. При этом материализовалась по-новому и сама генетика, появились молекулярная генетика и молекулярная биология.
Открытие двойной спирали стало торжеством единства науки, оно произошло благодаря объединённым усилиям и знаниям биологов, физиков, химиков, математиков. Поистине, межи науки — самые плодородные, и, возможно, в этом самый главный урок, который преподала нам двойная спираль: знания лучше объединять, а не делить.
Ответы и вопросы
Рис. 1 Дж.Уотсон и Ф.Крик, 1953 г. |
Как бы то ни было, ДНК — очень значимая биологическая субстанция. Благодаря расшифровке её структуры раскрыта природа генетического кода и мутаций, поняты причины многих наследственных болезней, сформированы обстоятельные представления о собственно организации генов и геномов, полностью расшифрована нуклеотидная последовательность геномов многих бактерий и пока ещё немногочисленных грибов, растений, животных и человека. Более того, мы научились конструировать принципиально новые гены и геномы и, главное, создавать трансгенные организмы. Многие из них (например, микробы) уже плодотворно трудятся на наше благо.
Однако достижения молекулярной биологии приносят всё больше вопросов. В частности, мы очень мало знаем о том, как работают гены, почему они молчат в одной клетке организма и активны в другой. Каковы молекулярные механизмы так называемой клеточной дифференцировки? Как заставить работать полезные гены или принудить их замолчать, если они вредны? Во многих случаях именно потому, что мы не знаем ответов на эти вопросы, новые гены, всаживаемые в клетку, неэффективны либо сильно искажают её природу.
Нельзя забывать, что у организмов существуют мощные регуляторные элементы (в геноме и на уровне клетки), которые контролируют работу генов. Эти сигналы накладываются на генетику и часто по-своему решают, „быть или не быть“. Даже самая отличная генетика может вовсе и не реализоваться, если эпигенетика будет неблагополучной по образному выражению П. и Д. Медаваров, „генетика предполагает, а эпигенетика располагает“.
Долгое время эпигенетику не признавали, стыдливо или даже намеренно умалчивали о ней — как правило, потому, что природа эпигенетических сигналов и пути их реализации в организме казались очень расплывчатыми. Считалось, что генетика — это святое, а эпигенетика — от лукавого.
Под эпигенетикой (не путать с теорией эпигенеза о появлении признаков в ходе развития организма de novo, в XVIII веке успешно противостоявшей преформизму) обычно понимают область знаний о совокупности свойств организма, которые не закодированы непосредственно в геноме, но могут и должны передаваться по наследству. К. Уодингтон, запустивший в обиход в сороковых годах прошлого века термин „эпигенетика“, включает в неё и всё развитие организма. А в 1990 году Р. Холлидей писал „Эпигенетика может быть определена как изучение механизмов контроля активности генов во времени и пространстве в процессе развития сложных организмов“. Он был в числе первых, кто указал на возможную биохимическую природу наследуемых эпигенетических сигналов.
Сегодня стало ясно, что один из таких сигналов — ферментативное (энзиматическое) метилирование самой генетической матрицы, то есть ДНК. Характер этой модификации генома наследуется, и она так или иначе контролирует все генетические процессы. Однако путь к расшифровке природы, специфичности и пониманию биологической роли этой модификации ДНК был очень непрост, и мы рады осознавать, что на этом трудном пути заметны и наши вехи.