Окружающая среда может оказать прямой эффект на ваши гены. Случайные генетические мутации могут возникнуть, например, при сильном воздействии солнца или при попадании в чан с отработанным ядерным топливом. Радиация и некоторые химические вещества называются мутагенами, поскольку они могут повредить ДНК, что часто приводит к бешенству клеток – раку. Количество потенциальных мутагенов соперничает с количеством альбомов, проданных Тейлор Свифт[17]. Некоторые из самых известных: ультрафиолетовое излучение, табак, алкоголь, асбест, уголь, выхлопные газы, загрязнение воздуха и обработанное мясо[18]. Количество повреждений ДНК в ваших клетках определяется масштабами воздействия и генетической предрасположенностью.
Окружающая среда может явным образом изменять функции генов, повреждая ДНК, однако это не единственный способ повлиять на их работу. Чтобы лучше понять дальнейшее, полезно представить гены как клавиши фортепиано. Если будете стучать по ним наугад, звуки будут похожи на музыку из фильма ужасов. Чтобы получилась красивая мелодия, нужно нажимать нужные клавиши в нужное время. Точно так же должны работать и гены. Если бы они играли одновременно, вы походили бы на Фредди Крюгера.
Каждая клетка вашего организма содержит одинаковый набор генов, так почему одни из них – клетки мозга, а другие – клетки задницы? В клетках вашего мозга происходит только экспрессия[19] генов клеток мозга. В ДНК в клетках мозга есть и гены для клеток задницы, но они не экспрессируются (возможно, за исключением случаев, когда у вашей бывшей или вашего бывшего вместо головы задница). Белки – факторы транскрипции — контролируют экспрессию гена путем связывания с участком ДНК, который находится в начале последовательности нуклеотидов и именуется промотором. Факторы транскрипции определяют, включен или выключен тот или иной ген, действуя, соответственно, как активаторы или репрессоры. Когда вы были эмбрионом, вы состояли из стволовых клеток и они потенциально могли стать в вашем организме клетками любого типа. Судьбу эмбриональных стволовых клеток в значительной степени определяли факторы транскрипции. В стволовых клетках, которые стали вашим мозгом, имелись факторы транскрипции, активировавшие гены мозга. В стволовых клетках, которые стали вашей задницей, имелись факторы транскрипции, активировавшие гены задницы.
На активность факторов транскрипции влияет множество причин, например гормоны. Гормоны, которые производятся вашей эндокринной системой, управляют развитием, половым влечением, настроением, обменом веществ и так далее. Многие вещества в окружающей среде действуют как эндокринные дизрапторы (иначе – эндокринные разрушители, эндокринные деструкторы), то есть вмешиваются в деятельность гормонов и, соответственно, нарушают экспрессию генов. В результате эндокринные дизрапторы могут вызвать репродуктивные, неврологические, иммунные проблемы и дефекты развития. К эндокринным дизрапторам относятся некоторые лекарственные препараты, некоторые пестициды, а также содержащийся в пластмассах бисфенол А. Как и в случае мутагенов, степень воздействия какого-то дизраптора на активность генов определяется его количеством. Пока еще нет единого мнения о предельно допустимых значениях, однако это вопрос важный: эндокринные дизрапторы есть повсюду (в частности, во многих предметах, которыми пользуются беременные/кормящие женщины и дети). Кроме того, негативное воздействие эндокринных дизрапторов на детей может сказываться в течение нескольких поколений. Одно исследование 2018 года показало, что воздействие на женщину диэтилстилбестрола (ДЭС), относящегося к этому классу веществ, повышает риск появления синдрома дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) у ее внуков.
Факторы транскрипции играют центральную роль в регулировании активности генов, однако они работают неизолированно. Когда ученые более детально изучили ДНК, стало очевидно, что это неоднородная молекула. Некоторые ее участки плотно свернуты и компактны, некоторые – расслаблены и открыты. Экспрессия генов в уплотненной ДНК идет не так активно, как у генов открытых фрагментов. Клетки могут контролировать доступ фактора транскрипции к генам в ДНК двумя основными методами. Первый – это метилирование ДНК: к нуклеотидам, составляющим ген, присоединяется метильная группа CH3. Когда по гену разбросаны метильные группы, его становится труднее читать – словно кто-то замазал во фразе некоторые буквы. Таким образом метилированный ген переходит в положение «выключено» или заглушается. Второй механизм задействует группу белков, называемых гистонами, – они образуют «катушки», вокруг которых накручивается ДНК. На гистоны воздействуют многочисленные химические модификации, а это влияет на экспрессию связанного с ними гена. Вкупе с факторами транскрипции эти процессы обеспечивают невероятную гибкость в экспрессии генов, позволяя тонкую настройку, а не просто «включение» и «выключение». Правильнее будет представлять себе экспрессию не как выключатель лампочки, а как регулятор силы ее света.
Процессы, которые влияют на экспрессию гена без изменения самой последовательности ДНК, называются эпигенетическими, что означает «за пределами гена»[20]. Эпигенетические модификации (также именуемые эпигенетическими метками) позволяют среде отправить вашим генам текстовое сообщение, которое меняет не только их работу у вас, но и их возможную работу у ваших детей и внуков. Как заметил знаменитый ботаник Лютер Бёрбанк, «наследственность – не что иное, как сохраненная среда». Физические вещества, с которыми вы сталкиваетесь в среде, могут вызывать эпигенетические изменения в вашей ДНК: теперь экспрессироваться будут не те гены. Это может оказаться существенной выгодой для вас и ваших детей, поскольку быстрые изменения в экспрессии генов позволяют быстро приспосабливаться к условиям окружающей среды.
Примечательно, что на экспрессию генов посредством эпигенетики влияют не только физические вещества, но и определенное поведение, например плохое обращение с детьми, издевательства, зависимость и стресс. Такие негативные события могут повредить нашу ДНК, а в некоторых случаях эти «шрамы» передаются нашим детям. Мы рассмотрим несколько соответствующих примеров в последующих главах, а пока укажем на один, подчеркивающий важность эпигенетики для нашего поведения. Хорошо известно, что низкое социально-экономическое положение коррелирует с увеличением заболеваний во взрослом возрасте: дети, выросшие в бедности, гораздо чаще сталкиваются с проблемами со здоровьем, когда вырастают. Конечно, тут сказываются внешние причины, однако крайне важными могут быть также и стартовые различия. В работе 2012 года генетик Моше Шиф из Университета Макгилла в Канаде продемонстрировал, что у взрослых, сталкивавшихся в детстве с экономическими проблемами, и у тех, кто вырос в обеспеченных семьях, метилируются разные группы. Аналогичные различия в метилировании ДНК наблюдались у обезьян, появившихся у родителей низкого ранга и у родителей с высоким статусом.
