Иоганн Вольфганг фон Гёте, поэт и философ XVIII века, считал, что жизнь жестко связана с архетипами, или моделями, которые задавали направление ее развития. И все же он был увлечен тем, как жизнь может быть такой податливой. Однажды, размышляя, поэт задумался о том, что можно было бы назвать протоэволюционной мыслью: Растения никогда не были "заперты в форму", а вместо этого получали, писал он позже, "блаженную подвижность и пластичность, которые позволяют им расти и приспосабливаться к самым разным условиям во многих разных местах". Открытие заново принципов генетического наследия в начале XX века показало, что организмы не могут познать или обрести наследственные черты, взаимодействуя со своим окружением, но наукой еще не объяснено, как жизнь может подвергаться таким ухищрениям - пластике, которая очаровывала Гёте.
Один из первопроходцев британской биологии описывал такой механизм адаптации организмов к окружающей среде. За это Конрад Хал Уоддингтон был признан последним биологом эпохи Возрождения. Во многом это было связано с его идеей "эпигенетического ландшафта" - метафорой, которую он придумал в 1940 году, чтобы проиллюстрировать теорию о том, как организмы могут регулировать, какие из их генов выражаются в ответ на сигналы окружающей среды или давления, что приводит их к различным путям развития. Всего через несколько лет после придумывания этого термина было обнаружено, что метильные группы - небольшая молекула, состоящая из углерода и водорода - могут присоединяться к ДНК или к белкам, в которых она содержится, и изменять экспрессию генов.
Изменение способа экспрессии гена может иметь радикальные последствия: Каждая клетка нашего организма имеет одни и те же гены, но выглядит и функционирует по-разному только благодаря эпигенетике, которая контролирует, когда и как включаются гены. В 2002 году один из биологов-разработчиков задался вопросом, не являются ли провокационные идеи Ваддингтона "актуальными инструментами для понимания биологических проблем современности".
На самом деле, так и есть. Пятнадцать лет спустя команда исследователей Джона Хопкинса, вдохновленная эпигенетическими работами Уоддингтона, придумала новый мощный способ продвинуть эпигенетику. Эндрю Файнберг, член команды исследователей и директор Центра эпигенетики Медицинской школы Джона Хопкинса, сказал, что результаты работы команды "могут иметь большое влияние на то, как мы лечим рак и другие заболевания, связанные со старением". Их подход включал в себя теорию информации, изучение хранения и передачи информации. Вычислив склонность метилирования ДНК к изменению в разных регионах генома человека, они смогли, по сути, понять ландшафт метилирования клеток как коммуникационную систему.
Природа сложнее, чем мы думали ранее.
Метилирование ДНК меняется на протяжении всей жизни клетки. Считайте, что стволовые клетки пластичны, обладают высокой адаптивностью к изменению своих сигнальных узлов, но вскоре превращаются в дифференцированные взрослые клетки, которые обладают достоверными сигнальными узлами и передают информацию надежными способами. Даже у взрослых клеток есть некоторая степень стохастической вариации или случайных колебаний. Но эта вариация - это не просто шум, а клетка, показывающая, что она еще молода и адаптивна. Она позволяет иммунным клеткам быстро изменяться, чтобы реагировать на воздействия окружающей среды, клеткам мозга - чтобы формировать новые связи, или остальным клеткам - чтобы отключать гены, для того чтобы они могли их восстанавливать.
Стареющие клетки начинают приходить в состояние неопределенности, в котором они больше не могут надежно сохранять информацию о метилировании ДНК. Поскольку "количественная неопределенность лежит в основе теории информации, мы полагали, что применение теории информации к эпигенетическим данным является естественным делом", - сказал Файнберг, который вместе с коллегой Хопкинса Джоном Гутсиасом был старшим автором статьи.
Они проанализировали метилирование ДНК по всему геному 35 типов клеток. Это создало большую картину того, как происходят изменения в метилировании ДНК по всему геному типов клеток по мере того, как эти клетки развиваются из стволовых в более определенные типы. Исследователи не удивились, увидев, что модели метилирования раковых клеток были далеки от здоровых взрослых клеток. Они были удивлены, увидев, что раковые клетки находятся еще дальше от стволовых клеток, что бросает вызов общепринятому мнению о том, что раковые клетки возвращаются в молекулярное состояние, похожее на состояние стволовых клеток.
"Для нас это было действительно шокирующим открытием", - сказал Гэррет Дженкинсон, ведущий автор статьи, а сегодня преподаватель биомедицинской информатики в клинике Mayo. Раковые клетки меньше похожи на стволовые, чем мы думали, и "это просто не вписывается в текущее состояние понимания". Это указывает на то, что природа сложнее, чем мы думали раньше".
Часть 2
