В конце XIX века образовалось два лагеря, стремившихся объяснить клеточную специализацию. Один из них возглавлял немецкий биолог Август Вейсман[33]. Он специализировался на изучении зиготы – это то, что образовывается, когда сперматозоид сливается с яйцеклеткой, и формирует первую клетку в организме животного. Вейсман доказывал, что эта самая первая клетка, очевидно, содержит полный набор молекулярных инструкций, но с каждым делением зиготы и ее дочерних клеток половина этих инструкций теряется. В конце концов остаются только те инструкции, которые предназначены для одного конкретного типа клеток – в него незрелые клетки и превращаются. Другие ученые, напротив, утверждали, что клетки сохраняют полный набор инструкций после каждого деления, однако игнорируют большинство из них после достижения определенного возраста. Немецкий биолог Ханс Шпеман разрешил этот вопрос в 1901 году с помощью зиготы саламандры. Он поместил одну из этих широких мягких зигот под перекрестьем своего микроскопа, подождал, пока она не разделится надвое, а затем обвил вокруг одной из клеток белокурый волос своей маленькой дочери Маргритт. (Кстати, непонятно, почему он использовал именно дочкины волосы – он не был лысым и мог с тем же успехом взять волос у себя. Возможно, потому что детский волос был тоньше.) Когда Шпеман затянул петлю из волоса, две клетки окончательно разделились, и ученый положил их в два отдельных блюдца, развиваться независимо друг от друга. Вейсман в этом случае предсказал бы появление двух деформированных полусаламандр. Однако обе клетки Шпемана выросли в полноценных, здоровых особей. Фактически они были одинаковы и в генетическом плане, то есть Шпеману удалось клонировать саламандру – и это в 1901 году! Ученые незадолго до этого вновь обратили внимание на труды Менделя, и работа Шпемана намекала на то, что клетки могут сохранять инструкции, и при этом способны включать и выключать гены.
Тем не менее ни Шпеман, ни Мак-Клинток, ни кто-либо еще не смогли объяснить сам механизм того, как клетки выключают гены. Это потребовало еще нескольких десятилетий работы. Оказалось, что хотя клетки не теряют генетической информации как таковой, они могут потерять доступ к этой информации, что фактически одно и то же. Мы уже видели, что ДНК должна выполнять прямо-таки акробатические трюки, чтобы вместить всю свою длинную фигуру в крохотное клеточное ядро. Чтобы не завязаться узлом во время этого процесса, ДНК обычно оборачивается, как ниточка от йо-йо, вокруг гистонов – катушек белка, которые затем складываются вместе и прячутся в ядре. Гистоны относятся к белкам, которые были обнаружены в хромосомах на ранних стадиях; сперва ученые считали, что именно они, а не ДНК, определяют наследственность. Кроме поддержания цепочки ДНК в незапутанном виде, гистонные катушки защищают клеточные механизмы от попадания в ДНК и производства РНК, эффективно выключая ДНК. Клетки управляют этими катушками с помощью химических веществ – ацетилов. Ацетил (COCH3), прикрепленный к гистону, раскручивает ДНК; если же этот ацетил убрать, «якорь» исчезнет и ДНК свернется обратно.
Клетки также закрывают доступ к ДНК, изменяя ее с помощью молекулярных «кнопок» – метильных групп (CH3). Метилы лучше всего прикрепляются к цитозину (букве Ц в генетическом алфавите), и поскольку метилы не занимают много места – атомы углерода невелики, а водорода и вовсе самые маленькие в периодической таблице, – даже подобный небольшой бугорок может предотвратить попадание других молекул внутрь ДНК и включение гена. Другими словами, добавление метильных групп изменяет гены.
Каждый из двухсот типов клеток нашего тела обладает уникальным механизмом сворачивания и метилирования ДНК – эти механизмы устанавливаются еще в период эмбрионального развития. Клетки, которым суждено стать клетками кожи, должны отключить все гены, которые отвечают за производство ферментов печени и нейротрансмиттеров, для других клеток также характерны аналогичные процессы. Такие клетки не просто запоминают свою установку до конца жизни: они используют его каждый раз, когда делятся уже во взрослом состоянии. Когда вы слышите о включении или выключении генов, знайте, что часто виновны в этом именно метилы и ацетилы. Метильные группы в целом настолько важны, что некоторые специалисты добавляют пятую официальную букву в ДНК-алфавит[34]: А, Г, Т, Ц и вдобавок мЦ – метилированный цитозин.
Но для дополнительного (а иногда и более качественного) контроля ДНК клетки обращаются к «транскрипционным факторам» вроде витамина А. Этот витамин вкупе с другими факторами транскрипции связываются с ДНК и привлекают другие молекулы к ее расшифровке. Самое главное здесь то, что витамин А стимулирует рост и помогает быстро превратить незрелую клетку в полноценную кость, мышцу или другой орган. Витамин А особенно эффективно действует на различные слои кожи. Например, у взрослых этот витамин заставляет некоторые клетки передвигаться из внутренних слоев на поверхность, где они отмирают и превращаются в защитный наружный слой нашей кожи. Высокие дозы витамина А могут и повредить коже через «программированную гибель клеток». Эта генетическая программа, разновидность инициируемого суицида, помогает организму избавляться от больных клеток, так что клеточное «самоубийство» – это отнюдь не всегда плохо. Но, по неизвестным причинам, витамин А также может захватывать целую систему в определенных клетках кожи – и люди Баренца почувствовали это на своей шкуре.
33
Вейсман, хоть и был выдающимся ученым и гением, однажды заявил невероятное: что прочитал толстенную книгу «Происхождение видов» Дарвина в один присест.
34
Некоторые специалисты расширяли генетический алфавит даже до шести, семи и восьми букв, взяв за основу изменений химические вариации метилированного цитозина. Эти буквы они назвали (if you’re into the whole brevity thing) hmC, fC и caC. Впрочем, непонятно, действуют ли эти «буквы» самостоятельно, либо это все промежуточные стадии сложного процесса отделения m от mC.