Больше, чем сумма нуклеотидов

Редактирование генома будет становиться все более эффективным способом преобразования генома живого вида или его части, в нечто, напоминающее геном вымершего вида. Однако некоторые важные различия между видами могут вообще не иметь отношения к последовательности нуклеотидов в их геномах. Следовательно, одного изменения генома может быть недостаточно для того, чтобы возродить исчезнувший фенотип.

Геном – это сложная структура. Геномы живут внутри клеток, которые обитают в телах, в свою очередь живущих в окружающей их среде. В разных клетках, разных телах и разных средах одни и те же геномы (идентичные в своих кодирующей и некодирующей частях) могут формировать очень разные фенотипы. Однояйцовые близнецы, к примеру, имеют идентичные геномы. Однако по мере взросления однояйцовые близнецы становятся все более разными с точки зрения фенотипа и поведения. Как это возможно, если их геномы абсолютно одинаковы?

Помимо генома все организмы имеют так называемый эпигеном . Эпигеном – это довольно запутанное понятие, и не все ученые дают ему одинаковое определение. В моем понимании, эпигеном можно представить в виде набора ярлыков, прикрепленного к геному. Эти ярлыки указывают на то, включен ли ген (вырабатывает белки) или выключен (не вырабатывает белки). Важно, что ярлыки на самом деле не являются частью генома, а значит, в течение жизни организма они могут изменяться. Эпигенетические ярлыки могут наследоваться, – это значит, что эпигенетическое состояние определенного гена может иногда передаваться от родителя к ребенку. Эти ярлыки могут, к примеру, приказать клетке включать только те гены, которые нужны ей для того, чтобы выполнять работу сердечной клетки. Другие ярлыки не наследуются в традиционном смысле, а возникают или изменяются вследствие взаимодействия между организмом и его средой обитания.

Известно большое разнообразие факторов внешней среды, воздействующих на эпигеном. Характер питания организма, стресс, токсины, физическая нагрузка – все это изменяет эпигеном, влияя на то, какие гены будут экспрессироваться, когда и насколько сильно. Ко времени, когда однояйцовые близнецы становятся взрослыми, их эпигеномы существенно различаются, хотя их геномы остаются одинаковыми. Именно сочетание геномной последовательности и эпигенетических изменений, накопленных за срок жизни каждого близнеца, приводит к развитию у них определенных фенотипов.

Осложнит ли эпигенетика нашу работу по возрождению вымерших видов? Мы не знаем. Пусть мы отредактируем геном слона, внеся в него участки ДНК мамонта, но организм, который начнет развиваться в результате, будет иметь эпигеном слона. Находясь в матке, он будет подвергаться воздействию среды, характерной для развития слона: его мать будет питаться едой, подходящей для слонов, жить в окружении, типичном для слонов, и у нее будут экспрессироваться слоновьи гены. Эмбрион будет питаться от слоновьей плаценты, в которой экспрессируются гены слона, модифицированные эпигеномом слонихи-матери.

Хотя мы не можем изучить эффект, который оказывает среда на развивающийся эмбрион, с помощью однояйцовых близнецов (потому что их внутриутробное развитие происходит в одной и той же среде), мы знаем, что здоровье матери и ее рацион во время беременности способны глубоко воздействовать на развитие плода. Характер питания матери может даже иметь отдаленные последствия для здоровья ребенка в течение дальнейшей жизни, к примеру увеличивать риск развития сердечно-сосудистых заболеваний или ожирения. Нам также известно, что, как ни удивительно, рацион матери до беременности может повлиять на эпигенетическое состояние ее генов, что повлияет в дальнейшем на развитие эмбриона. Почти наверняка характер питания и величина стресса, которому подвергнется мать-слониха, повлияют на развитие эмбриона мамонта (или эмбриона животного, подобного мамонту), но какими в точности будут эти эффекты, остается неизвестным.

В ряде случаев специфическая для вида среда развития эмбриона не играет ключевой роли в успешном развитии плода. Ученые из компании Роберта Ланзы Advanced Cell Technology , работающей в области генной инженерии, успешно клонировали гаура и бантенга (живые виды, находящиеся под угрозой исчезновения, близкие родственники домашних быков) методом ядерного переноса, используя домашних коров в качестве суррогатных матерей. Обе беременности протекали хорошо, и оба рожденных теленка прекрасно себя чувствовали. Однако неизвестно, чем отличались бы от этих животных клоны, рожденные от суррогатных матерей их собственных видов.

А что насчет среды, в которую организм попадет после рождения? Эпигенетические изменения накапливаются в течение жизни, и стимулирует их появление среда, в которой живет организм. В какой мере внешний вид и поведение мамонта зависят от его генома, а в какой – от жизни в степной тундре? Для того чтобы выяснить это, нам, возможно, понадобится время.

Одно их главных технических препятствий на пути успешного возрождения вымерших видов заключается в том, что мы пока не до конца понимаем геном и то, как он взаимодействует с окружающей средой. Как это препятствие преодолеть, пока непонятно. Удастся ли нам секвенировать геном мамонта до конца и выяснить, где в нем расположен каждый ген и за что он отвечает? Это позволило бы нам обойтись минимальными изменениями и в результате все равно получить мамонта. Или же технология редактирования генома дойдет до уровня, на котором мы сможем внести все необходимые изменения и получить геном, на 100 % соответствующий мамонтовому? Придумаем ли мы способ узнать, каким было эпигенетическое состояние древних тканей, в качестве первого шага к определению генов, которые должны быть включены или выключены у возрожденных особей?

Возможно, у нас вскоре появятся ответы на эти вопросы. Эксперименты по «нокину» и «нокауту» генов, в ходе которых ученые либо включают, либо выключают специфические гены у дрожжей, мышей и мух-дрозофил, позволяют нам выяснить, где находятся гены, что они делают и как взаимодействуют друг с другом. Для определения специфических генетических изменений, связанных с определенными фенотипами, к примеру адаптированными к жизни на большой высоте или подверженными развитию рака и других заболеваний, организовываются масштабные проекты по секвенированию генома человека на уровне популяции. Эти эксперименты нацелены на поиск способов определить наиболее «важные» изменения, которые следует внести. В то же время быстро развивается технология, лежащая в основе систем CRISPR-Cas9. Уже сейчас с помощью этих систем редактируются геномы более чем двадцати различных видов, при этом вырезаются и вставляются фрагменты генома длиной порядка десятков тысяч нуклеотидов. Вполне вероятно, что в конечном итоге мы найдем способ редактировать геном целиком.

Расшифровка древних эпигеномов тоже может оказаться осуществимой, отчасти благодаря тому, как именно происходит распад ДНК с течением времени. Оказывается, что метилирование ДНК – один из способов, которыми эпигеном «размечает» геном, – взаимодействует с процессом распада ДНК интересным и полезным для нас образом. При метилировании эпигеном изменяет геном, добавляя к цитозину (одному из четырех азотистых оснований, образующих ДНК) метильную группу (CH3). При распаде ДНК также задействуются цитозиновые основания, однако иным образом. При распаде ДНК цитозиновые основания зачастую дезаминируются – теряют часть своей химической структуры (аминогруппу) и превращаются в урацил, азотистое основание, при других условиях не встречающееся в ДНК. Но когда метилированные цитозиновые основания теряют аминогруппу, сочетанное действие двух этих химических процессов превращает цитозин не в урацил, а в тимин – еще один из четырех нуклеотидов, формирующих ДНК. Мы можем реконструировать древний эпигеном, отделив дезаминированные цитозиновые основания, которые превратились в тиминовые основания (появившиеся в результате процессов распада в ДНК, но после того, как на них воздействовал эпигеном), от тех, которые превратились в урациловые основания (также образовавшиеся в результате распада ДНК, однако не испытывавшие воздействия эпигенома).

Исследовательская группа Людовика Орландо из Копенгагенского университета в Дании впервые использовала такой подход для реконструкции эпигенома палеоэскимоса из гренландской культуры Саккак возрастом в 4 тысячи лет. Вскоре после этого группа ученых из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка, расположенного в немецком городе Лейпциге, а также из Еврейского университета в Иерусалиме составила эпигенетическую карту двух древних гоминин – неандертальца и денисовского человека. Ученые обнаружили около 2 тысяч различий между реконструированными эпигеномами древних гоминин и эпигеномами современных людей. Какие-то из этих расхождений могут отвечать за ряд различий в строении скелета между нами и нашими древними кузенами.

В то время как технологии секвенирования, редактирования и изучения генома развиваются с большой скоростью, новые инструменты, как правило, приспособлены для работы с теми видами, которые мы лучше всего изучили. Мы знаем о слонах намного меньше, чем о мышах, дрозофилах или людях, и то же самое справедливо для многих кандидатов на возрождение. Эти инструменты можно приспособить для исследования других видов, но пока на пути полной реконструкции геномов вымерших видов все еще высятся препятствия. Однако Джордж Чёрч – человек очень высокий.