Аналогичным образом переливание крови и пересадка органов могут на клеточном уровне передавать человеку информацию о доноре. Если моя гипотеза о клеточной памяти верна, то эти донорские клетки могут, как и в случае микрохимеризма, влиять на разум и тело своих реципиентов способами, которые мы только начинаем исследовать.

Экологическая эпигенетика

В этом разделе мы обсудим, как физические факторы, такие как пища, никотин или запахи, влияют на геном.

Статья 1988 года, опубликованная Джоном Кэрнсом^[23] в издании Nature – одном из самых известных научных журналов, положила начало тектоническому сдвигу в генетике. В статье описывался эксперимент, в ходе которого определенный штамм бактерий кишечной палочки (E. coli), который не мог усваивать лактозу^[24], поместили в лактозную среду^[25]. Вместо того чтобы голодать – что, согласно классической теории Дарвина, и должно было случиться, – бактерии вскоре претерпели генетические изменения и, научившись переваривать лактозу, сумели выжить. Кэрнс сообщил, что, по крайней мере, в некоторых случаях избирательное давление может направлять мутации организмов. Прощай, дарвинистская ортодоксальность.

Кэрнс «нагло», как говорили некоторые критики, поднял вопрос о возможных наследственных механизмах Ламарка – в 1988 году это казалось исключительным вероломством. В том же номере журнала Nature Франклин Шталь, почетный профессор биологии Орегонского университета, одобрил выводы Кэрнса и представил свою собственную модель того, как могут происходить «направленные мутации»^[26].

Сегодня Кэрнс является профессором микробиологии в больнице Рэдклиффа, что входит в состав Оксфордского университета, и остается ведущим специалистом в области мутационной теории. Его статья 1988 года является одной из наиболее часто цитируемых работ в этой области и положила начало совершенно новой сфере исследований.

Примерно в то же время, когда Кэрнс проводил свои эксперименты, доктор Ларс Олов Байгрен из Университета Умео в Швеции задался вопросом: «Может ли опыт родителей, полученный ими в раннем возрасте, повлиять на черты, которые они передадут своим потомкам?» Байгрен, как и многие другие ученые, собрал множество исторических свидетельств, доказывающих, что неблагоприятные условия окружающей среды (например, угроза смерти от голода) могут оставить отпечаток на генетическом материале яйцеклеток и сперматозоидов, который повлияет на эволюцию, передав новые черты^[27] следующему поколению.

Спустя 10 лет после публикации статьи Кэрнса профессор биологии Университета Индианы П. Л. Фостер написал: «Многие последующие исследования показали, что частота мутаций может варьироваться и что их количество увеличивается во время определенных стрессов, таких как недостаток пищи». Это явление получило название «адаптивная мутация»^[28]. Сегодня исследование адаптивных мутаций трансформировалось в эпигенетику, и ими заинтересовалась едва ли не каждая университетская лаборатория^[29].

Любимое животное генетиков для изучения – C. еlegans – примитивный червь длиной около 1 мм, обитающий в почве. В период с октября 1994 по январь 1995 года в международных журналах о нем появилось 73 научные статьи. C. elegans^[30] является привлекательным и эффективным модельным организмом для исследований, потому что с ним легко работать в лаборатории, он почти не требует пищи и в течение нескольких дней производит большое количество потомства путем самооплодотворения.

Червь понимается как отдельный организм, который подвергается сложному процессу морфогенеза^[31]. У него есть нервная система с «мозгом» (кольцом окологлоточного нерва), он демонстрирует определенное упорядоченное поведение, способен к элементарному обучению, а также производит сперму и яйцеклетки, благодаря чему спаривается и размножается. Все 959 соматических клеток его прозрачного тела видны под микроскопом, а средняя продолжительность его жизни составляет всего 2–3 недели. Важно отметить, что у червей и людей совпадает до 80 % генов^[32]. Неудивительно, что примерно половину всех известных генов, задействованных в болезнях человека, также можно обнаружить и у C. elegans, а потому ученые с удовольствием экспериментируют над этим существом^[33].

Например, ученые из Университета Дьюка провели исследование, посвященное последствиям голодания^[34]. Они заставили голодать одну группу червей C. elegans в течение одного дня, а другую группу – в течение восьми дней на первой стадии личиночного развития. Когда подача пищи возобновлялась, черви, которых дольше морили голодом, росли медленнее и в итоге достигали меньших размеров и вырастали менее плодовитыми. Они также оказались более восприимчивыми ко второму приступу голода. Их потомство, унаследовав отличительные признаки родителей, родилось меньшим по размерам и численности и менее плодовитым, однако их дети и внуки оказались более устойчивыми к голоду, как будто пытаясь защититься от того, что навредило их предкам.

Эпигенетика завоевала доверие научного сообщества, когда несколько десятилетий назад исследователи изучали детей, выношенных в период голода в конце Второй мировой войны в Нидерландах^[35]. Исследователи обнаружили на одном из генов детей определенную химическую метку (или, как ее еще называют, эпигенетическую сигнатуру). Исследователи связали это открытие с различиями в состоянии здоровья детей: они росли хуже, чем дети других возрастов, и имели массу тела выше средней. Их дети также были меньше ростом и более восприимчивы к диабету, ожирению и сердечно-сосудистым заболеваниям, и эти изменения были заметны в течение трех последующих поколений.

Не только недостаток пищи может подобным образом повлиять на потомство: как показало британское исследование, проведенное в Бристольском университете, это может быть связано и с бедностью^[36]. Исследователи отобрали 40 мужчин, родившихся в 1958 году: одна половина выросла в богатых семьях, а другая – в бедных. В исследовании испытуемых выбрали из верхних и нижних 20 % общества в соответствии с социально-экономическим статусом, чтобы убедиться, что будут представлены примеры обеих крайностей. Сосредоточив внимание на участках ДНК, называемых промоторными областями^[37], что переводится как «включатели», команда исследовала более 20 000 участков по всему геному.

Почти на одной и той же трети участков у представителей групп получились совершенно разные модели. Что наиболее характерно, уровни метилирования резко отличались: 1252 участка у мужчин из бедных семей и лишь 545 участков у мужчин из богатых семей. Поскольку образцы брали в среднем возрасте, исследователи не могли точно сказать, когда добавились или исчезли эпигенетические метильные группы. Хотя возможно, что гены изменились в младенчестве, детстве или даже в зрелом возрасте, ученые, проводившие эксперименты, придерживались мнения, что эпигенетические изменения, которые они наблюдали в ДНК взрослого человека, стали в значительной степени результатом раннего жизненного опыта.

Сегодня наиболее распространенной хирургической процедурой у фертильных женщин является родоразрешение путем планового кесарева сечения. Однако беременные женщины или те, кто планирует создать семью, должны знать о следующих результатах многочисленных исследований: дети, рожденные путем кесарева сечения, подвергаются повышенному риску развития астмы, диабета первого типа, ожирения, целиакии, рака и подавления иммунного ответа^[38].

Исследуя это явление, молекулярные и клеточные биологи из известного Каролинского института в Швеции изучили эпигенетические изменения в пуповинной крови, взятой у детей, родившихся в срок после планового кесарева сечения и посредством вагинальных родов. В стволовых клетках крови младенцев из первой группы нашли больше метилированных участков ДНК, чем у младенцев, родившихся вагинально. Исследователи обнаружили специфические эпигенетические различия между группами в 343 областях ДНК, включая гены, которые, как известно, участвуют в процессах, контролирующих метаболизм и иммунодефицит. Эти исследования ясно показывают, что эпигеном младенца чувствителен к внутриутробной среде^[39] и опыту рождения.

Во время недавней пандемии COVID-19 ученые заметили, что, попадая в организм человека, вирус вел себя по-разному: у одних становился триггером серьезного заболевания, а у других не вызывал никаких симптомов. Описанное здесь ослабление иммунной системы, передавшееся через несколько поколений, может быть одним из непризнанных факторов, наряду с социально-экономическими, которые вызывают физический и психический стресс, что объясняет яркие различия при реакции на вирус.

Распространенность сложных заболеваний, таких как рак, диабет, ожирение, аутизм и врожденные дефекты, растет темпами, которые невозможно объяснить классической генетикой. Исследования на людях и животных убедительно свидетельствуют о том, что за это могут отвечать эпигенетические механизмы.

Социальная эпигенетика

Используя мышей в качестве модели для изучения рака молочной железы у человека, исследователи продемонстрировали, что негативный социальный опыт^[40] (в данном случае – изоляция) вызывает усиленный рост опухоли. Полученные результаты также подтверждают предыдущие эпидемиологические исследования, предполагающие, что социальная изоляция приводит к росту смертности среди пациентов, страдающих хроническими заболеваниями, а клинические исследования доказали, что социальная поддержка улучшает результаты лечения больных раком. Присутствие сострадательных и заботливых людей^[41] может изменить уровень экспрессии генов в самых разных тканях, включая мозг. Впрочем, недавний опыт борьбы с COVID-19 и без исследований убедил нас в истинности человеческой потребности во взаимодействии и общении.

Одним из самых красивых и творческих экспериментов, с которыми я сталкивался в своей профессиональной деятельности, является «Исследование перекрестного воспитания»^[42] (Kidnapping-and-Cross-Fostering Study), разработанное Джином Робинсоном, директором Института геномной биологии Иллинойсского университета. Робинсон отобрал около 250 молодых пчел из двух ульев африканских пчел («пчел-убийц») и двух ульев европейских пчел (неопасных пчел) и нарисовал метки на спинах особей (не сам, разумеется, – аспиранты), чтобы невооруженным глазом определять их происхождение. Как только насекомые обзавелись потомством, его забрали и поместили в улей другого подвида^[43]. Европейские медоносные пчелы, выращенные среди более агрессивных африканских пчел, не только стали такими же воинственными, как и их новые соседи по улью, – они стали генетически похожими на них. И наоборот. Этот эксперимент убедительно доказывает, что социальная среда может радикально изменить экспрессию генов и поведение за очень короткий срок.

Дэвид Клейтон, нейробиолог и коллега Джина Робинсона из Иллинойсского университета, обнаружил, что, если самец зебрового зяблика услышит, как поблизости поет другой самец^[44] его вида, экспрессия определенного гена в переднем мозге птицы будет стимулироваться и это будет происходить по-разному в зависимости от того, звучал ли другой зяблик незнакомо и угрожающе или знакомо и безопасно. Певчие птицы продемонстрировали массовые, широко распространенные изменения в экспрессии генов всего за пятнадцать минут.