Шанс есть! Наука удачи, случайности и вероятности

Верна ли эта «гипотеза неопределенности»? Некоторые факты вроде бы подтверждают, что эпигенетические модификации (а не генетические мутации и не экологические факторы) несут ответственность за весьма многие изменения в характеристиках организмов. Скажем, мраморный рак проявляет удивительную изменчивость в раскраске, размерах, скорости роста, продолжительности жизни, поведении и других чертах, даже когда генетически идентичные животные растут в совершенно одинаковых условиях. А в 2010 году исследователи обнаружили существенные эпигенетические различия между генетически идентичными человеческими близнецами. Основываясь на полученных данных, ученые предположили, что случайные эпигенетические вариации на самом деле «гораздо важнее» экологических факторов, когда мы пытаемся объяснить различия между близнецами.

Новые подтверждения этой теории Файнберг получил в ходе совместной работы с гарвардским биостатистиком Рафаэлем Иризарри. Один из главных эпигенетических механизмов – добавление метильных групп (СН₃–) к ДНК. Файнберг и Иризарри изучали характер метилирования ДНК у мышей. «Мы брали мышей одного и того же помета, они питались одним и тем же кормом, пили одну и ту же воду, жили в одних и тех же условиях», – говорит Файнберг.

И несмотря на это, ученые выявили сотни участков генома, на которых картина метилирования (в рамках определенной ткани) чрезвычайно отличалась у разных подопытных особей. Любопытно, что эти изменчивые области генома, судя по всему, имеются и у человека. Иризарри поясняет: «Метилирование может протекать весьма различно у разных людей, в разных типах клеток, в разных клетках одного и того же типа и даже в разное время в пределах одной и той же клетки».

На долю Иризарри выпала работа по составлению перечня генов, как-то связанных с областями, которые могли бы (по крайней мере, теоретически) подвергнуться разным формам метилирования. Результаты поразили его. Список генов, проявляющих высокую степень эпигенетической пластичности, очень во многом совпал со списком генов, регулирующих начальное развитие эмбриона и построение плана тела. «Это удивительно, и это противоречит интуитивным представлениям, поскольку вы не ожидаете найти такого рода изменчивость в этих генах, задающих важнейшие характеристики», – говорит Файнберг.

Эти результаты подтверждают идею о том, что эпигенетические изменения в ДНК размывают связь между генотипом (генетическим составом организма) и фенотипом (его формой и поведением). «Возможно, это поможет объяснить, почему в ходе развития организма так высока степень изменчивости генетической экспрессии», – замечает Гюнтер Вагнер, биолог-эволюционист из Йельского университета. Но это не обязательно означает, будто эпигенетические изменения носят адаптивный характер, добавляет он: «Пока слишком мало исследований, уточняющих условия, при которых в процессе эволюции мог бы развиться подобный механизм».

Начав совместно с Файнбергом разрабатывать эту идею, Иризарри построил компьютерную модель, призванную помочь более зримо представить гипотезу. Первым делом он смоделировал, что произошло бы в среде с фиксированными условиями, где преимуществом для человека был бы большой рост. «Более высокие чаще выживают, у них больше детей, и в конечном счете все становятся высокими», – описывает он эту ситуацию.

Затем он смоделировал изменчивую среду, где в разные периоды преимуществом для человека является то большой, то малый рост. «Если при этом вы человек высокий и все дети у вас тоже дылды, ваша семья скоро вымрет», – говорит ученый. В долгосрочной перспективе при таком сценарии выигрывают лишь те, чье потомство имеет значительный разброс роста, то есть обладает изменчивостью по этому параметру.

Результат не кажется противоречивым. «Из теории мы давно знаем, что механизмы, порождающие «случайную» фенотипическую изменчивость, в ходе отбора могут получать предпочтение перед теми, которые порождают один-единственный фенотип», – говорит Тобиас Уллер, оксфордский специалист по биологии развития. Однако показать, что нечто теоретически вполне возможно, гораздо легче, нежели продемонстрировать, что изменчивость в метилировании возникла в процессе эволюции благодаря тому, что она резко увеличивает выживаемость.

Джерри Койн, эволюционный генетик из Чикагского университета, выражается прямее и грубее. «Нет и крупицы доказательств, будто вариации в метилировании адаптивны, будь то в пределах одного вида или среди нескольких видов, – утверждает он. – Я знаю, эпигенетика – явление интересное, но ее принудительно распространили на эволюцию. Мы еще очень далеки от понимания того, зачем вообще нужна эпигенетика. Может, она и играет роль в эволюции, но даже если и играет, то очень небольшую».