Умный ген. Какая еда нужна нашей ДНК

скачать книгу бесплатно

Один из самых хорошо изученных факторов риска для расстройства развития мозга у детей – это возраст отца. Все яйцеклетки, содержащиеся в яичниках женщины, создаются еще до ее рождения, а вот у мужчин постоянно вырабатываются все новые «партии» сперматозоидов, начиная с подросткового возраста. В период полового созревания сперматогонии (предшественники полнофункциональных сперматозоидов) начинают делиться примерно по двадцать три раза в год. Каждое деление – важнейший процесс: нужно в точности повторить не только все три миллиарда букв кода ДНК, но и все эпигенетические закладки, которые помогут этой ДНК «вспомнить», какие гены включать или выключать, реагируя на сигналы от питательных веществ и гормонов – иными словами, набор скоординированных функций, который необходим для оптимального роста и здоровья в течение всей жизни будущего ребенка.

Многочисленные ферменты играют роль «редакторов» и «корректоров» и гарантируют почти идеальную точность копирования ДНК, но вот с эпигенетическими закладками все не так радужно

. Это говорит нам о том, что факторы окружающей среды на момент размножения намного больше влияют на точность передачи эпигенетических маркеров, а не на мутации ДНК – по крайней мере, так утверждают новейшие исследования

. Иными словами, если у мужчины нет нормального «сырья» для производства эпигенетических закладок, то эти закладки во время производства свежей партии спермы не передадутся. К сожалению, неисправленные ошибки с возрастом накапливаются. Неврологические расстройства вроде аутизма, биполярного синдрома и шизофрении, как обнаружилось, чаще встречаются у детей немолодых мужчин, у которых больше ненормальных эпигенетических закладок

.

Но на геномную память влияет не только возраст мужчины, но и то, насколько хорошо он за собой ухаживает. Я считаю, что даже немолодые мужчины могут значительно повысить вероятность рождения здоровых детей, если они будут поддерживать свои фабрики спермы в яичках хорошим питанием – это отличная стратегия обеспечения качества на сперматозоидном конвейере.

В 2014 году генетики, работавшие вместе с нью-йоркским Медицинским колледжем имени Альберта Эйнштейна, нашли доказательства того, что низкий уровень определенных питательных веществ действительно способствует накоплению этих ошибок копирования. Фолиевая кислота, витамин В

и ряд незаменимых аминокислот используются для разновидности эпигенетического букмаркинга, называемого метилированием. Недостаток любого из этих важных питательных веществ приводит к недостаточному метилированию, и могут исчезнуть важные «закладки». Исследование показало, что голые, неметилированные участки появляются практически всегда в отдаленных районах гена, где ДНК сильно скручена, так что метилирующим веществам труднее туда проникнуть

. Если это действительно так, то получается, что если мужчина оптимизирует свой рацион питания, то, по сути, предотвратит подобные ошибки копирования и связанные с ними болезни.

Хорошее питание может исправить некоторые эпигенетические ошибки

Я только что показала вам доказательства предположения, что хорошая диета может помочь предотвратить эпигенетические ошибки, приводящие к перманентным мутациям. Но может ли диета исправить прежние ошибки до того, как они выйдут на уровень мутации? Иными словами, может ли хорошее питание помочь вашим генам вернуться к более ранней адаптивной стратегии, не дав неудачной стратегии навсегда вписать себя в генетическую летопись в виде мутации?

Два нижеприведенных исследования показывают, как стратегию, связанную с предрасположенностью к лишнему весу, можно включить или выключить, модулируя питание в утробе.

В исследовании 2010 года, в котором рассматривалось, как плохое питание матери и ее лишний вес влияет на следующие поколения, ученые сделали вывод: «Плохое питание в утробе может вносить немалый вклад в нынешний цикл ожирения»

. В статье показали, что дети, родившиеся у матерей с лишним весом, эпигенетически запрограммированы на нездоровое наращивание жировой ткани. Это говорит о том, что миллионы неправильно питающихся мам, сами того не подозревая, программируют своих детей на жизнь с ожирением, а потом эта предрасположенность к лишним килограммам передается еще и детям этого ребенка.

Неужели достаточно, чтобы одна мама плохо питалась, чтобы приговорить все последующие поколения к ожирению? А вот здесь нас ждет хорошая новость. Плохое питание может привести к проявлению нежелательных свойств, а вот хорошее питание может заставить эпигенетическую систему адаптации вернуться к более ранней стратегии, подходящей для более оптимальной питательной среды.

Некоторые классические эпигенетические исследования показывают, что забытые стратегии можно вспомнить – по крайней мере, в некоторых обстоятельствах, – если дать генам поддержку посредством питательных веществ. Вот почему я считаю, что все мы в потенциале можем быть победителями генетической лотереи – или, по крайней мере, стать родителями таких победителей: забывчивый геном можно заново научить потерянным навыкам.

Второе исследование показывает, что оптимизация питания в утробе может оказать противоположный эффект – убедить эпигеном отказаться от стратегии набора веса и выбрать вместо нее стратегию, обеспечивающую оптимальное строение тела. Доктор Рэнди Джертл из Университета Дьюка в Дарэме, штат Северная Каролина, изучал воздействие укрепляющих питательных веществ на агути, породу мышей, известную своим желтым цветом и предрасположенностью к развитию сильного ожирения, за которым следует диабет. Начав с самки агути, которую ранее кормили обычным кормом для мышей, он стал давать ей специально разработанный корм с витамином В

, фолиевой кислотой, холином и бетаином, после чего случил ее с самцом. Вместо того, чтобы родить только толстых, нездоровых малышей с желтой шерстью, как раньше, на этот раз самка принесла в помете и несколько здоровых коричневых мышат, которые развивались нормально

. Это исследование можно толковать так: у регуляторной ДНК породы агути, по сути, поврежден «мозг» – скорее всего, какими-то травмами, полученными породой в прошлом. В результате хромосомы агути, в отличие от хромосом других мышей, обычно не могут создать здоровое, нормальное потомство. В этом исследовании ученые смогли вылечить геном агути, бомбардировав спящие гены таким потоком питательных веществ, что они проснулись и перепрограммировали себя для лучшей работы.

Это имеет огромное значение и для нас с вами: ученые находят все новые ненормальные регуляторные «шрамы» в наших генах. Эти «шрамы» – сохранившиеся свидетельства о том, как жили наши предки, что они ели, даже иногда – какая была погода. Например, к концу Второй мировой войны необычно суровая зима вкупе с продовольственным эмбарго, наложенным немцами, привела к гибели от голода более 30 000 человек. Те же, кому удалось выжить, страдали от самых разных расстройств развития и болезней – низкого веса при рождении, диабета, ожирения, коронарной недостаточности, рака груди и других видов рака. Группа голландских ученых показала, что у людей, переживших ту зиму, даже внуки рождались с весом меньше нормального

.

Это открытие очень интересно, потому что говорит о том, что питание беременной женщины влияет не менее чем на два следующих поколения. В отличие от мышей-агути, которым требовались огромные дозы витаминов, организмы этих людей, скорее всего, нормально отреагировали бы даже на нормальный или чуть больший нормального уровень питательных веществ, потому что их гены, в отличие от мышиных, страдали не так много – всего лишь в течение одного-двух поколений, так что для их пробуждения не понадобится настолько много питания.

Некоторые эпигенетические реакции не просто передаются по наследству, но и усиливаются. Исследуя влияние курения матери на риск развития астмы у ребенка, доктора из Школы медицины имени Кека в Лос-Анджелесе обнаружили, что дети, родившиеся у матерей, куривших при беременности, в полтора раза сильнее рискуют заболеть астмой, чем родившиеся у некурящих. А вот если курила бабушка, то вероятность астмы у ребенка вырастает в 1,8 раза – даже если мама не выкурила в жизни ни одной сигареты! Наконец, если курили и мама, и бабушка, то риск развития астмы вырастал в 2,6 раза

. Почему ДНК так реагирует? Если рассмотреть логику этого решения, можно, например, предположить следующий вариант: если мама курит во время беременности, то говорит эмбриону, что воздух полон токсинов, и дышать иногда бывает опасно. Развивающимся легким будет лучше, если они будут быстро реагировать на любые раздражающие вещества. Легкие у астматиков как раз реагируют избыточно. Они начинают кашлять и отплевываться, едва почувствовав в воздухе незнакомое вещество. Тем не менее, я считаю, что даже настолько израненному геному можно напомнить о том, как функционировать нормально.

Почему я так верю в восстановительную силу хорошего эпигенетического ухода? Потому что, в противоположность прежнему образу мыслей, мы сейчас знаем, что большинство болезней вызвано не перманентными мутациями, а неправильной экспрессией генов

. Как мы уже видели, химикаты, получаемые из окружающей среды, оставляют на длинной молекуле ДНК метки, меняя ее поведение. Подобная система, по словам автора эпохального исследования об агути, Рэнди Джертла, существует, чтобы обеспечить «быстрый механизм реакции [организма] на окружающую среду без необходимости замены “аппаратуры”»

. Таким способом можно отменить любую подстройку или модификацию физиологии, если организм заметит, что она не работает. Этот процесс можно назвать, так сказать, бета-тестированием предлагаемой «мутации». С одной стороны это кажется довольно-таки сложной для молекулы операцией, но не забывайте, что мы говорим о молекуле, которая находится в разработке с тех самых времен, как на Земле появилась жизнь. Благодаря новому пониманию механизмов работы ДНК мы теперь еще и понимаем, насколько легко дефицит питательных веществ или воздействие токсинов может привести к хроническому заболеванию – и как быстро эти болезни реагируют на избавление от токсинов и улучшение рациона.

Доктор Дов Гринбаум из Центра мастерства в геномной науке Йельского университета, как и я, верит в интеллект, стоящий за конструкцией генетического аппарата. Рассказывая, как «мусорная ДНК» управляет эволюцией, он пишет: «Движение транспонируемого «мусора» образует динамическую систему активации генов, которая позволяет организму адаптироваться к окружающей среде»

. Он описывает его функции так же, как Джертл, добавляя, что эта система транспозиции «помогает организму адаптироваться к окружающей среде, не реконструируя всю «аппаратуру» заново»

. Для дальнейшей аналогии можно предположить, что генетические модификации подчиняются протоколу, похожему на тот, что используют программисты: проверка на ошибки, затем запуск вместе с другими программами (бета-тестирование), затем интегрирование в операционную систему, а затем – если функция оказывается совершенно необходимой, – встраивание в аппаратную часть.

Возможно, именно это случилось с человеческим геном производства витамина С. После того, как его не использовали в течение целых поколений (из-за изобилия витамина С в нашей еде), ген стал очень «сонным». В конце концов, когда эпигенетическое «бета-тестирование» показало, что мы можем выжить, вообще не вырабатывая витамина С самостоятельно, мутация в гене навсегда отключила его. Как именно работает это бета-тестирование? Некоторые маркеры повышают вероятность ошибки во время размножения, и, таким образом, временное эпигенетическое изменение может подготовить ген к необратимому изменению – мутации спаренного основания

. Гены похожи на маленькие машины по выработке белка, создающие разные продукты. Если один из рабочих выключит свою машину (представьте эпигенетическую метку), и клетка в следующих поколениях по-прежнему будет хорошо работать, эту машину (ген) можно переоборудовать для производства чего-нибудь другого или вообще навсегда отключить. Чем больше мы узнаём об эпигенетике, тем больше понимаем, что генетические изменения – и развитие болезней, и даже сама эволюция, – контролируются (в том числе с применением обратной связи) настолько же тщательно, как все остальные биологические процессы – от развития клетки до дыхания и размножения, так что они на самом деле не такие уж и случайные.

Что помогает регулировать все эти клеточные события? В основном – пища. В конце концов, прием пищи – это наш главный способ взаимодействия с окружающей средой. Но вот что по-настоящему замечательно: метки, которые ставятся на гены, контролируют их работу и помогают направлять курс эволюции, состоят из простых питательных веществ – минералов, витаминов и жирных кислот, – или же на них влияет присутствие этих питательных веществ. Иными словами, между тем, что вы едите, и тем, как ведут себя гены, практически нет никаких посредников, а ведь именно поведение генов определяет, какие изменения становятся перманентными и наследуемыми. Если еда может изменять генетическую информацию всего за одно поколение, то получается, что сильные и близкие отношения между питанием и ДНК – это едва ли не центральный сюжет продолжающегося спектакля человеческой эволюции.

УПРАВЛЯЕМАЯ ЭВОЛЮЦИЯ?

В 2007 году консорциум генетиков, исследовавших аутизм, смело заявил, что болезнь является не генетической в типичном смысле слова (наследование «гена аутизма» от одного или обоих родителей). Новые технологии секвенирования генов показали, что у многих детей с аутизмом наблюдаются совершенно новые генетические мутации, никогда ранее не присутствовавшие в их семейной линии.

В статье, опубликованной в престижном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, говорится: «Большинство случаев аутизма – это результат мутаций de novo, происходящих в половых клетках родителей»

. Причины этого мы подробно рассмотрим в главе 9.

В 2012 году группа, исследовавшая эти новые, спонтанные мутации, обнаружила, что случайность – не единственный определяющий фактор. Их исследование, опубликованное в журнале Cell, показало неожиданную группу мутаций, в 100 раз чаще случающуюся в определенных «горячих точках», регионах человеческого генома, где нить ДНК туго обвивается вокруг организующих белков, гистонов, исполняющих примерно ту же функцию, что катушки для ниток в швейном наборе, вокруг которых организуются нити разных цветов и типов

.

Эти мутации, похоже, непосредственно влияют на определенные черты характера. Джонатан Себат, ведущий автор статьи 2012 года, предполагает, что «горячие точки» сконструированы таким образом, что «их мутации изменяют черты человеческого характера», включая или выключая развитие определенных моделей поведения. Например, когда определенный ген в «горячей точке» седьмой хромосомы дублируется, у детей развивается аутизм, задержка в развитии, характеризующаяся почти полным отсутствием интереса к социальному общению. При делеции той же хромосомы у детей развивается синдром Уильямса, задержка в развитии, характеризующаяся неумеренной общительностью: дети говорят очень много и практически с кем угодно. Явление, при котором определенные черты характера усиливаются или ослабевают из-за вариаций в экспрессии генов, недавно признали следствием архитектуры ДНК и назвали «активной адаптивной эволюцией»

.

У нас есть и другие доказательства того, что новые мутации, связанные с аутизмом, управляются определенной логикой: теперь мы знаем, что «горячие точки» могут активироваться эпигенетическими факторами, в частности, одним из видов эпигенетического маркирования – метилированием

. В отсутствие достаточного количества витаминов группы В некоторые участки гена теряют метилированные метки и открывают тем самым участки ДНК для воздействия факторов, вызывающих новые мутации. Иными словами, отсутствие определенных компонентов в рационе родителей вызывает реакцию генома, которая, возможно, поможет детям справиться с новыми условиями питания. Это, конечно, не всегда работает, но цель, похоже, именно такая.

Можно практически представить, что это – попытка изменить черты характера таким образом, чтобы создать творческий ум нового типа, который поможет нам адаптироваться по-новому.

Свидетельства в пользу того, что в ДНК содержится язык

Мы пока еще не представляем себе, как именно природе удается следить, какие программные коды работают лучше всего и для чего, или как вещества из окружающей среды – минералы, витамины, токсины и т. д. – влияют на новую эпигенетическую стратегию, но некоторые интригующие исследования поддерживают предположение, что ДНК действительно умеет «вести дневник».

В 1994 году математики обнаружили, что «мусорная ДНК» содержит паттерны, похожие на естественный язык, потому что она, помимо всего прочего, подчиняется закону Ципфа (иерархическое распределение слов, присутствующее во всех языках)

. Некоторые генетики не согласны с этим утверждением, но другие считают, что этот дополнительный уровень сложности может со временем помочь раскрыть многие тайны ДНК. Впрочем, все согласны, что в «мусорной ДНК» очень много места для хранения информации. «Мусорная ДНК» – это достаточно большое хранилище информации, чтобы служить своеобразным химическим программным обеспечением, предназначенным, чтобы (лучшего слова тут не подобрать) узнавать что-то об условиях питания, а затем размножаться уже с обновлениями информации. Некоторые молекулярные биологи считают, что эта способность вызывать просчитанную реакцию на изменения окружающей среды говорит о том, что язык, закодированный в «мусорной ДНК», «важен для… эволюционного процесса», и подразумевает существование «независимого механизма постепенной регуляции экспрессии генов». Выходит, что в эволюции, вполне возможно, участвуют и другие механизмы, кроме общепринятых – отбора и случайных мутаций. Отрасль эволюционных исследований, изучающая, как все три эти механизма управляют эволюцией, называется адаптивной эволюцией.

Один из примеров логики, управляющей поведением ДНК, можно увидеть, наблюдая за эффектами от недостатка витамина А. В конце 1930-х годов профессор Фред Хэйл, работавший на Техасской сельскохозяйственной экспериментальной станции, сумел перед оплодотворением обеспечить такой дефицит витамина А в организме свиноматок, что у них рождались поросята без глазных яблок

. Когда этим же свиноматкам давали витамин А, в следующих пометах рождались поросята с нормальными глазными яблоками, что говорит о том, что рост глаз отключался не из-за перманентной мутации, а из-за временной эпигенетической модификации. Витамин А вырабатывается из ретиноидов, которые получаются из растений, которые, в свою очередь, зависят от солнечного света. Так что ДНК реагировала на отсутствие витамина А как на отсутствие света или на темную среду, в которой глаза просто бесполезны, и отключала гены, отвечающие за рост глаз. У безглазых поросят были веки, как и у слепых пещерных саламандр. Возможно, саламандры и другие слепые пещерные обитатели тоже пережили похожую эпигенетическую модификацию генов, контролирующих рост глаз, из-за низкого уровня витамина А в пещерах, где нет ни света, ни растений.

Если взять все имеющиеся эпигенетические свидетельства, то получится, что ДНК – это намного более динамичный и умный механизм адаптации, чем кажется. По сути, ДНК умеет собирать информацию – с помощью «языка» пищи, которую принимает организм – об изменениях условий окружающей среды, и запускает изменения, основанные на этой информации, а также документирует собранные данные и реакцию для следующих поколений. «Мусорная ДНК» полна генетических сокровищ. Возможно, она работает как постоянно увеличивающаяся библиотека, в которой работает проницательный «библиотекарь», постоянно перечитывающий уже написанные труды об успешных и провальных стратегиях генетической адаптации. Из этого должно следовать, что более сложные организмы с большими клетками, в чьих геномах записана более сложная эволюционная история, должны нести в себе больше обширных библиотек, наполненных «мусорной ДНК». Так оно и есть