Почему мы разные? Потому что одинаковые гены работают неодинаково.

— Многих сотрудников нашей лаборатории, в основном моих бывших студентов биофака МГУ и МФТИ, затем аспирантов, а сегодня — старших научных сотрудников, кандидатов наук, я считаю энциклопедистами, — объясняет Юрий Борисович. — Естественно, мы разбираемся далеко не во всех областях современной науки, но выбираем четыре, а иногда пять-шесть узких специальностей и достаточно продуктивно их совмещаем. Нам интересно заниматься всем сразу: скажем, молекулярной биологией и биоинформатикой, достичь в них высокого профессионального уровня, а в чем-то — и мирового, печатать статьи в престижных зарубежных журналах. 

Еще во время учебы на биофаке МГУ меня заинтересовал вопрос регуляции работы генов. Почему одни и те же гены работают у всех людей по-разному? В одинаковых условиях кто-то заболевает, а кто-то нет? Почему одного вирус поражает, другого щадит — ведь генетически мы все очень похожи? По моему убеждению, большинство наших различий, даже психологических, зависят от того, какой конкретный (персональный) набор вариантов генов, называемых аллелями, получен нами от родителей. И даже в большей степени от того, насколько хорошо и слаженно могут работать разные группы аллелей.

В начале 1990-х годов в составе лаборатории академика Евгения Давидовича Свердлова моя группа участвовала в проекте “Геном человека” — мы расшифровывали первичную структуру ДНК одной из хромосом. Выясняли, какие гены включаются-выключаются, где они находятся, что означает экспрессия генов в жизни людей. Особое внимание уделили “включателям-выключателям” человеческих генов, для чего сравнивали фрагменты ДНК людей и наших ближайших родственников — человекообразных обезьян. Это новое знание имеет самое разное практическое применение: например, выяснение причин наследственных заболеваний, развитие индивидуальной, или, как теперь говорят, персонифицированной, медицины. А также воссоздание картины биологической эволюции и определение человека как вида с генетической точки зрения, учитывая, что мы произошли не от обезьян, а от общих с ними предков, претерпев всевозможные генетические изменения. На все эти вопросы мы и ищем ответы. 

Например, чем человек генетически отличается от шимпанзе? Во-первых, это просто интересно, во-вторых, сравнивая оба вида, получаем дополнительные сведения о своеобразии генома человека. Проявления этого своеобразия очевидны. Жители Москвы и Гонконга внешне могут быть очень разными, хотя и те, и другие обладают всеми общечеловеческими чертами, отличающими их от других видов приматов. 

— Причина в том, что еще в период внутриутробного развития процессы формирования нового организма у человека и человекообразных обезьян заметно различаются, поскольку контролируются набором определенных генов. 

Мы предположили, что еще на ранних этапах эволюции человека, приблизительно 6 миллионов лет назад, у наших предков появились и закрепились мутации в особых генах, которые работают лишь на определенных стадиях развития эмбрионов и регулируют активность множества других генов. Один из таких регуляторных генов (или генов-регуляторов) — “ген речи” — определяет формирование гортани и языка. Мутация в гене речи, возникшая у наших далеких предков, приводит к тому, что у всех людей формируется опущенная гортань, удлиненные голосовые связки, возникает дыхательное горло, модифицируются мышцы корня языка и появляется способность произносить отчетливые фонемы. А у шимпанзе этот ген работает “по-старому”, то есть не включает вовремя нужный комплекс других генов, — и обезьяны не владеют членораздельной речью. Но это не мешает отдельным уникальным экземплярам прекрасно общаться с людьми и даже обу­чаться. За одним таким шимпанзе долго наблюдают в США. Он освоил язык символов и выражает человеческие эмоции. Ему показывают “иконки” с рисунками, объясняют их значение — и он понимает, что если укажет на банан или морковку, то получит их. Но он сумел освоить и куда более сложные абстрактные понятия: знает, например, что значит вход-выход, значение слов “хотеть” или “желать”. А говорить не может — не дано. 

— Да, и это оказалось довольно просто. В геноме человека, кроме генов, кодирующих белки, есть короткие фрагменты ДНК, многократно повторенные и одинаковые по первичной структуре. Очень долго исследователи не относились серьезно к этим повторяющимся фрагментам ДНК, поскольку не знали, за что эти участки генома отвечают. А повторяющиеся элементы, между прочим, занимают едва ли не половину генома человека. Некоторые из них обладают уникальной способностью: они размножаются независимо от деления клетки и встраивают свои копии в другие места генома, чем занимал исходный элемент. Потому и получили название мобильных генетических элементов. Они очень важны, поскольку могут изменять активность генов, окружающих место встраивания. Причем изменять не кардинально, но мягко модулируя интенсивность или время работы близлежащих генов. Поиском подобных изменений генома человека мы и начали заниматься и открыли тысячи новых копий мобильных генетических элементов, которые есть в ДНК любого из людей, но отсутствуют в аналогичных местах генома шимпанзе. 

Нас также интересовало, могут ли появляться новые копии мобильных элементов в ДНК отдельных клеток человеческого мозга. Исследования дали положительный ответ: миллионы нейронов коры и некоторых других отделов мозга действительно содержат такие копии, но место генома, а следовательно, и соседствующие с каждой копией гены оказались уникальными для каждого из генетически измененных нейронов. Обнаруженная нами генетическая неоднородность клеток головного мозга одного и того же индивида может лежать в основе известного явления “функциональной пластичности человеческого мозга”. Пока что это только гипотеза, но мы ее разрабатываем, считая чрезвычайно перспективной.

— Надеюсь. Изменения в структуре ДНК отдельных клеток мозга могут привести к образованию новых нейрональных связей, что отразится на памяти человека, ее долговечности, ускорении процессов запоминания и обучения, а также улучшит реакцию и развитие когнитивных (познавательных) способностей и т.д. Произойдет это потому, что в коре головного мозга не все нейроны одинаковы. Каждый имеет свою небольшую особенность. Но все вместе они образуют единую нейрональную сеть, в которой отдельные “сообщества” нейронов заняты решением собственных задач. А функциональная пластичность — это способность нейронов переходить из одного сообщества в другое или состоять одновременно в нескольких. И чем мозг пластичнее, тем выше его способность переключаться с одного дела на другое. Сейчас мы ищем примеры взаимосвязей между генетическим разнообразием нервных клеток и пластичностью нейрональных сетей. 

Определение молекулярных механизмов функционирования мозга в целом — еще более сложная и объемная задача, это следующий уровень познания. Поиск ответов на частные вопросы помогает продвинуться в освоении этой проблемы в целом, но уже сегодня появляется возможность приложения полученных биологических знаний в самых разных областях человеческой деятельности. Принципы нейрональных сетей и функциональной пластичности применяются, например, при разработке более совершенных и сложных математических программ, имитирующих работу человеческого мозга. Речь идет о создании принципиально новых систем передачи, обработки и хранения информации с использованием механизмов и процессов, аналогичных тем, что происходят в мозге. Разработка и внедрение искусственных нейрональных сетей ускорят появление компьютеров нового поколения и интернет-ресурсов, способных к самообучению и самостоятельному преодолению сбоев в работе по сбору и обработке мегаобъемов информации. В свою очередь, ускоренное развитие информационных технологий приближает нас к созданию искусственного интеллекта. И все это осуществится, если нам удастся, повторюсь, как можно глубже вникнуть в работу человеческого мозга. 

— Да, потому что такие возрастные заболевания, как, например, рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, старческая деменция, связаны с нарушениями в регуляции функционирования мозга, возникновением сбоев в его работе. Понять причину сбоев, научиться предотвращать нарушения в слаженной работе миллиардов нейронов — проблема наисложнейшая. Поэтому так важно накапливать знания о биологической системе внутренней регуляции и контроле деятельности мозга. Необходимо не только глубоко понимать физиологические и генетические особенности человеческого мозга, но и научиться умело их корректировать — тогда мы сможем помочь исправить нарушения, вызванные болезнью. 

Одно из самых распространенных и тяжелых заболеваний — инсульт головного мозга, при котором одновременно гибнет большая группа нейронов. Создать условия для восстановления пораженных участков мозга для регенерации нейрональной сети — одно из возможных практических приложений наших работ. Надеюсь, это осуществимо. Сегодня исследователи разных стран работают над двумя подходами к восстановлению нормальной работоспособности поврежденного мозга. Первый: добавить, подсадить в мозг новые клетки вместо погибших, для чего сформировать нейроны из стволовых клеток больного, что вполне реально. Второй подход — адаптировать уцелевшую часть мозга человека к несчастью, которое с ним (человеком) произошло. Здесь крайне важны знания о механизмах поддержания функциональной пластичности мозга. Ведь не затронутых болезнью нейронов еще очень много — десятки миллиардов. И наша задача — добиться, чтобы здоровые нейроны действовали более активно. Нужно найти способ возбудить их энергию, а также стимулировать или перепрограммировать работу нейрональных сетей. Надеюсь, что решение этой задачи осуществимо в самом ближайшем будущем. 

Понятно, что глобальные проблемы изучения мозга необыкновенно сложные. Поиском решения занимается несколько десятков самых продвинутых в мире лабораторий — биохимики и физиологи, генетики и нейрофизиологи… Обнадеживает, что на помощь нам приходят новые, совершенные методы исследований. Например, для секвенирования ДНК все шире применяются чрезвычайно сложные приборы и новейшие технологии. Благодаря использованию как существующих, так и собственных технологий уже сегодня в одном эксперименте по секвенированию мы определяем характеристические изменения генома сотен тысяч отдельных нейронов.