Карл Циммер - Она смеется, как мать [Могущество и причуды наследственности] [litres]

Один из генов, который они активируют, называется xist . Клетка использует его, чтобы создавать длинные змееподобные молекулы РНК. Они скользят вдоль Х-хромосомы в поисках места, за которое могут зацепиться. Пока один конец Xist-РНК захватывает хромосому, другой цепляет подходящие белки-помощники. Вместе они закручивают X-хромосому до тех пор, пока она не превратится в компактный комочек ДНК. При этом другая X-хромосома подавляет свой ген xist и остается активной.

Каждая клетка на ранних этапах развития эмбриона самки случайным образом определяет, какая из X-хромосом будет инактивирована подобным образом [786] См.: Galupa and Heard 2015; Xu, Tsai, and Lee 2006. . Когда клетка делится, она аккуратно распаковывает выключенную хромосому, чтобы сделать с нее копию, а затем опять ее сворачивает. Такая X-хромосома похожа на ящик со старой посудой, который вы перевозите с квартиры на квартиру, ничего не используя из его содержимого.

Сейчас мы можем наблюдать лайонизацию не только на молекулярном уровне, но и в масштабе всего организма. В 2014 г. Джереми Натанс и его коллеги из Университета Джонса Хопкинса выяснили, как можно заставить светиться активные X-хромосомы [787] Wu et al. 2014. . Они встроили в X-хромосому мыши ген, который кодирует белок, светящийся красным при добавлении определенного вещества. Другую линию мышей они создали со светящимся зеленым белком. Затем они скрестили мышей и получили пометы с мышатами, у которых была «зеленая» хромосома от одного родителя и «красная» от другого. Когда исследователи добавили необходимые вещества в разные части организма мыши, то клетки засветились подобно елочной гирлянде. Каждая клетка оказалась либо красной, либо зеленой – в зависимости от того, какая хромосома молчала.

Соседние клетки нередко светились разными цветами. Однако, когда Натанс подался назад, чтобы взглянуть с большего расстояния, он увидел другую картину. Благодаря чистой случайности в одних больших группах клеток работала в основном отцовская X-хромосома, а в других – материнская. Этот дисбаланс мог затрагивать целые органы. У некоторых мышей одно полушарие мозга было в основном красным, а другое – зеленым. Были те, у кого в сетчатке левого глаза работала X-хромосома отца, а правого – матери. Иногда одна из вариаций преобладала по всей мыши. У некоторых животных во всем теле оказывалась выключена X-хромосома одного из родителей.

Бóльшая часть исследований X-хромосом была посвящена изучению болезней, которые с ними связаны. Для мужчин наличие единственной X-хромосомы означает, что у них нет надежды спастись от мутации с помощью резервной рабочей копии. В результате многие наследственные заболевания, связанные с X-хромосомой, поражают почти исключительно мужчин. Например, белок дистрофин необходим для правильной работы мышц, и так сложилось, что ген этого белка лежит в X-хромосоме. Мышечная дистрофия Дюшенна – заболевание, ослабляющее мышцы в разных частях тела, – угрожает почти всегда только мальчикам. Они наследуют ее от своих ни о чем не подозревающих матерей, которые не страдают от мутации, потому что у части мышечных клеток достаточно дистрофина, чтобы сохранялась сила мышц. Между тем женщины сталкиваются с другими проблемами, если выключенные X-хромосомы становятся активными и, таким образом, нарушается баланс белков.

Натанс с коллегами полагают, что лайонизация имеет и положительную сторону. Она может расширить наследственно обусловленные возможности у женщин. Активность разных Х-хромосом в разных нейронах мозга может способствовать неодинаковым типам ветвления нейронов. Сила мозга человека заключается в его разнородности: разные типы нейронов, разные связи, разные нейромедиаторы. Лайонизация может еще сильнее увеличить вариабельность женского мозга.

На Рождество 2014 г. Лайон насладилась праздничным обедом и с удовольствием выпила стаканчик хереса на сон грядущий. К этому времени ее давно уже с большими почестями проводили на пенсию. В 1998 г. Кембриджский университет провел специальную церемонию по присуждению ей официальной степени взамен номинальной. Совет медицинских исследований построил центр, названный в ее честь. Американское общество генетиков учредило медаль Мэри Лайон, ежегодно вручаемую выдающимся генетикам. Биолог Джеймс Опиц сокрушался, что это «слишком малые почести для того, кого большинство моих знакомых считают достойным Нобелевской премии». Вздремнув в рождественский вечер, Лайон не проснулась – она умерла во сне. Опиц надеется, что в последние минуты у нее на коленях сидела живая демонстрация лайонизации – ее черепаховая кошка Синди.

Мэри Лайон сделала гораздо больше, чем просто показала, как женщины живут с двумя X-хромосомами. Она дала нам представление о том, какими способами наследственность работает внутри нашего организма. Ее теория объясняет, каким образом клетки могут зафиксировать состояние, в котором работают одни гены и не работают другие, и передать его своим потомкам. Оказывается, это позволяет клеткам на начальных этапах развития эмбриона превращаться в различные ткани и органы. За те десятилетия, что прошли со времени новаторской работы Лайон, ученые выяснили и дополнительные этапы этого процесса [788] Henikoff and Greally 2016. . Путешествие, которое начинается с зачатия, продолжается через эмбриональное развитие и длится до конца наших дней.

В момент оплодотворения, когда сперматозоид сливается с яйцеклеткой и загружает в нее свой набор хромосом и других молекул, включаются определенные гены и зигота становится тотипотентной клеткой. Это значит, что она имеет возможность развиваться по-разному. Одна-единственная клетка зиготы способна стать любой клеткой организма и даже плаценты. Когда зигота делится, получаются две новые тотипотентные клетки, затем четыре. Если врач извлечет одну из этих тотипотентных клеток и поместит в чашку Петри, она сможет развиться в целый эмбрион с плацентой.

Другими словами, данные клетки унаследовали от материнских не только ДНК, но и их тотипотентность. Это состояние передается от одного поколения клеток к другому благодаря молекулам, плавающим вокруг ДНК и определяющим, какие гены клетка использует, а какие подавляет. Несколько главных генов (олигогенов) создают мощные белки, каждый из которых удерживает сотни других генов во включенном или выключенном состоянии. Главные гены также поддерживают работу друг друга с помощью петель обратной связи [789] Moris, Pina, and Arias 2016; Semrau and Van Oudenaarden 2015. . Один ген активизирует второй, который включает третий, а тот, в свою очередь, поддерживает работу первого. Когда тотипотентная клетка делится, ее дочерние клетки наследуют ту же сбалансированную систему белков. Эти молекулы продолжают управлять ДНК в двух новых клетках, поэтому новая клетка наследует родительскую тотипотентность [790] Teves et al. 2016. .