Академик Николай Янковский о "белой", "серой" и "черной" областях генетики

"В мире науки" №8-9, 2018 год

Академик Николай Казимирович Янковский в течение десяти лет возглавлял легендарное для российской науки учреждение — Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН. Когда он оставил свой пост и стал научным руководителем института, у него, по его словам, появилось больше времени для разработки новых тем, поиска новых людей и новых подходов к решению проблем.

Неслучайно, возможно, наш разговор состоялся в Дхарамсале — Н.К. Янковский был в числе десяти российских исследователей, принявших участие в конференции «Постигая мир» с участием Далай-ламы. И посвящен он был мировоззрению исследователя. Генетика — одна из самых точных областей наук о жизни. Но так ли нерушима устоявшаяся система координат с позиций генетика?

— Николай Казимирович, вы делите науку, в частности генетику, на «белую», «серую» и «черную» области. Как определить границы между ними?

— С одной стороны, существуют общепринятые традиционной (в Индии ее называют «западной») наукой факты, и обычно исследователи предпочитают оперировать этими установленными фактами и признанными понятиями. С другой — есть явления, которые традиционная для нас наука признает как несуществующие, например выход за рамки закона сохранения энергии. Я условно отношу такие явления к «белому» и «черному» полям науки.

Однако существует еще и «серое» поле: недостаточно четко исследованные феномены, проблемы, к которым мы только подступаем и которые в результате могут оказаться либо в «белом» поле, либо в «черном». Но здесь мы по крайней мере знаем, как и что исследовать. Вот. например, генетический контроль условного рефлекса. Это не инстинкты, которые тоже представляют собой рефлексы, только безусловные, «напечатанные» на генетическом уровне. — когда нового стимула нет. а признак появляется; в частности поведенческие: новорожденный ребенок уже знает, что надо сосать материнскую грудь, его никто этому не учил, но он с первого раза делает это успешно. Способность и потребность дышать, сердцебиение— это даже инстинктами не называется, это физиологические особенности организма, которые контролируется генетически. Если бы это не было предопределено, не были бы реализованы соответствующие генетические свойства, то сердце не билось бы, мы бы не дышали и. соответственно, умирали сразу при рождении. Но данные свойства, способности появились когда-то очень давно, когда еще не было сердца (в процессе эволюции оно существовало не всегда), когда наши далекие предки жили под водой и дышать им. как это делаем мы сегодня, раздвигая легкие, было незачем. А вот человек почему-то умеет делать это немедленно, как только выйдет из «безвоздушного» пространства внутри матери.

Подобные особенности складывались в течение десятков и сотен миллионов лет. Нам пока непонятен генетический контроль таких признаков, как безусловный рефлекс (инстинкт)— целесообразная реакция на сигнал среды, с которым организм сталкивается в первый раз. Ясно, что генетический контроль для каждого инстинкта существует. но сегодня это можно отнести к «серому» полю, поскольку ученым еще не известны механизмы его контроля.

У буддистов, кстати, этот вопрос рассматривается гораздо шире. Они считают, что жизнь не существует в отрыве от сознания, что элементы сознания разлиты в природе и реализуются в том числе в человеке. Это одновременно и материальное, и духовное, они составляют единое.

Согласно традициям западной науки, мы привыкли все исследовать, расчленяя на элементы и рассматривая эти элементы как будто бы в лупу: есть этот элемент или нет, какой он, что с ним происходит, если изменить условия его существования, и т.д. Это подход всех естественных наук — химии, физики, биологии. И с этой точки зрения книга Далай-ламы «Вселенная в одном атоме», которую я прочитал перед конференцией, показалась мне очень интересной. Она не отрицает факты, которые я считаю установленными, но ставит вопрос о том, что такое целое, к которому эти факты относятся.

Но! Это совершенно другая система координат, которую я как ученый на данный момент не использую. У меня есть своя, очень четкая система — что такое ген, где он находится, как он работает и т.д. Я не говорю, что традиционная для нас наука знает все. Многие явления будут открываться и изучаться все глубже, вероятно, в течение всего существования человечества, но сама система координат не отменяется, а лишь становится более дифференцированной.

А у буддистов своя система координат, и мы попытались взглянуть на нашу систему сточки зрения их системы: что в нашей экспериментальной науке может быть приложимо к проверке положений буддизма. И, наоборот, посмотреть с их точки зрения на то, что мы делаем, и по-новому поставить задачи. Для меня лично это «взгляд со стороны» на собственные взгляды: что может сделать генетика, какие новые вопросы могут быть перед ней поставлены. И главный из них, ключевой для буддистов — сознание, которым, с их точки зрения, проникнуто все, вся природа, человек: когда оно появилось, каковы этапы его развития? Это в западной науке сформулировано недостаточно четко.

Сейчас, применив новые генетические подходы, можно ставить задачи для таких исследований, о чем я раньше, в течение 50 лет проработав в генетике, даже не задумывался.

- Какие, например?

- Например, как применить генетический подход к изучению самого понятия сознания. Необходимо выявить объективные этапы уровней сознания, которые фиксируются объективными методами, и тогда генетический подход заключался бы в нескольких вещах.

Первое: индивидуальное развитие (онтогенез) повторяет развитие всего живого (филогенез). Что может означать термин «сознание» в отношении одной клетки? Или в отношении плода, то есть до того, как человек родился. Есть ли вообще сознание или его элементы у клетки? Плод умеет видеть и слышать, но еще ничего не умеет делать. Он реагирует на сигналы, сначала невербальные, затем начинает реагировать на слова, и это, наверное, уже новый этап сознания. Если кто-то из представителей других специальностей (физиологи, психологи, когнитивисты, философы) формализует этапы развития сознания у ребенка, то для генетика появится возможность понимания связи онтогенеза и филогенеза.

Генетикам более или менее понятно, что происходит в индивидуальном развитии, а ведь формирование признаков у ребенка в первые пять лет— это «развертывание» того, что происходило за миллионы лет эволюции у приматов, а до них — у млекопитающих, позвоночных, беспозвоночных. Мы, наблюдая этапы онтогенеза, можем ставить какие-то вопросы поэтапно, ориентируясь на то. что представляет собой сознание на предшествующих филогенетических этапах его развития. Такая постановка вопроса не существовала для меня до сих пор, но теперь она актуальна.

- Как к этому подойти экспериментально?

- Каждый из этапов филогенеза и каждый из этапов его реализации в онтогенезе основан на том, что у нас есть определенный генетический материал, который позволяет конкретному признаку проявиться на своем уровне. В чем он заключается, мы не знаем, но понимаем, как вообще исследовать связь онтогенеза с филогенезом, регистрируя внешне наблюдаемые признаки с помощью приборов. То есть мы можем это объективизировать. Если мы определим этапы развития сознания, то сможем определить него нарушения— признаки психических расстройств, искажение восприятия реальности, его переведение в собственное поведение. И психические расстройства могут служить моделью расстройства сознания.

Существуют явления более простого порядка, которые укладываются в понятие сознания, например память, эмоции — проявления биохимии, про которые мы знаем, что они контролируются генами. Несли мы переходим на более простые уровни, то можем добраться и до генетической информации, расчленяя ее, доходя до основ определенных состояний. Подытожу: если рассматривать «центральное сознание» (согласно буддизму) как признак, который есть у человека, то мы можем разложить его на генетические составляющие, применяя объективные методы.

Другой подход: выделение для исследования только определенной части наблюдаемого признака. Такую часть признака называют «эндофенотип». Эндофенотипы — это относительно более просто генетически контролируемые признаки. Скажем, тревожность может быть эндофенотипом каких-то психических болезней. Или эйфория— эндофенотип более простого уровня, который можно выделить при других психических болезнях.

Подобные схемы активно применяются в современной генетике. После общения с буддистскими учеными я подумал, что «центральное сознание» с генетической точки зрения можно рассматривать как сложно контролируемый признак человека. Если мы сможем разложить его на составляющие. то их можно исследовать методами, которые применяются в нашей традиционной генетике.

Ну и третий подход— модельные животные. С его помощью также можно найти внешне наблюдаемые признаки сознания. Модельные объекты очень широко применяются и при изучении различных заболеваний— гипертонии, ожирения, и их можно попытаться применить в исследовании сознания. Только нужно четко определить, какие внешне наблюдаемые явления для животного соответствуют таким же внешне наблюдаемым признакам у человека. Все эти подходы пока не реализованы. но схема работы, генетический подход к предмету исследования понятен.

Однако существует серьезное противоречие: буддисты считают, что сознание проникает в органическую материю даже до того, как материя появилась. Мне это непонятно по самой постановке вопроса, поскольку я генетик и ограничен в своих представлениях тем. что есть в генах. А у буддистов постановка гораздо шире, их учению 2,5 тыс. лет, в нем существуют свои логика, аксиоматика, и, возможно, при такой логике и гены не нужны — это вообще зависит от того, как мы определим то, что имеем в виду. Для меня очень важно научиться посмотреть иначе на границы знания, к которым я привык за полвека в своей области науки.

- Но если предположить, что существуют формы сознания, которые не имеют отношения к генетике...

- Я не понимаю, что это такое, но говорить, что если я чего-то не понимаю, значит этого не существует, просто глупо. В этой области я не могу иметь профессиональное суждение, у меня нет картины мира, в которой я могу это как-то представить. У меня есть естественная картина мира, в рамках которой я могу работать. У меня есть своя система взглядов, я вырос в конкретной стране в конкретное время, и хотя я человек неверующий, но я «православный неверующий», как говорил П.Л. Капица.

Любая система координат лучше, чем ее отсутствие. Переходить в другую систему координат мне в мои 70 лет не хочется, но игнорировать ее бессмысленно (а я вижу, что люди общаются в этой системе координат 2,5 тыс. лет, помогая друг другу выживать и чувствовать себя более удовлетворенными).

Меня как генетика приучили все исследовать через гены, и для меня в системе, где отсутствуют гены, не может быть ничего живого. Гены тоже появлялись во времени постепенно. У каждого из нас есть предок на протяжении всего времени существования живого, и мы можем пройти назад по филогенетической лестнице через ныне живущих «родственников»: обезьяны, млекопитающие, позвоночные, беспозвоночные, одноклеточные... Это все разложено наукой на протяжении многих предыдущих лет. Для меня это естественный эволюционный подход. А буддисты, кстати, всю нашу традиционную науку заранее признают «правильной», считая, что она просто конкретизирует их видение природы.

- Этот новый ракурс как-то повлияет на планы ваших исследований?

- Сначала нужно сформулировать проблему, чтобы она была хотя бы умозрительно доступной для исследования. Потом нужно запланировать исследование: инструментарий, методы. Генетические исследования развиваются сейчас очень бурно, и для изучения новых явлений нужно определить новый объект или новый признак. Продумывание этого я считаю интересным. Доживу ли я до реализации, не знаю. Но сама постановка вопроса разумна: если я вижу признак, который у нас есть (а я думаю, что сознание, как его ни формулируй, каждый считает одним из человеческих признаков), значит его можно исследовать генетическими методами, поскольку все признаки, как и определяющие их структуры и функции, без генетики существовать не могут.

- Возвратимся к началу разговора: получается, что изучение сознания— это «серое» поле. А что в генетике за последние годы из «серого» поля перешло в «белое»?

- Поразительно быстро из почти «черного» явления в «белое» превратилось перепрограммирование клеток — когда развитие клеток, органов или тканей обращают «вспять во времени» и получают почти исходную клетку, из которой формируются все ткани и органы данного человека. При этом последовательность нуклеотидов (четырех букв генетического текста) сохраняется одинаковой во всех клетках: в оплодотворенной клетке, в мозге, мышцах, печени. Но почему-то сердце — это сердце, а мозг — это мозг, их структуры и функции неодинаковы. Связано это с тем, что в этих органах по-разному произошла дополнительная «разметка» генетических букв (ее называют модификацией).

Привычно было думать, что условием для появления определенного признака обязательно становится изменение последовательности букв- нуклеотидов. Функция исчезает из-за того, что исчезла буква-структура и поэтому текст читается по-другому. Это условие осталось правильным, но не единственным. Сейчас благодаря расшифровке генома человека мы получили дополнительные данные об этих процессах и их новое понимание. Нам теперь известно, что на кодирующую белок часть приходится небольшой процент информации генома— всего 3%. А что же остальные? Оказалось, что изменения, варианты генетического текста могут возникать и вне генов и тоже способны влиять на появление признака.

Но именно в этом пространстве, в некодирующей части генома, расположены регуляторы, иногда очень далеко от гена, на расстоянии миллионов нуклеотидов. Многие такие «дальние» регуляторы составляют часть целостной системы формирования признака. Это как аккордеон: нажмешь одну кнопку, а звучит целый аккорд. Так же бывает и в геноме — нажатию кнопки аккордеона соответствует химическая модификация отдельной буквы-нуклеотида, при этом зазвучит определенный «аккорд» из генов, и они будут «играть» в сочетании с другими существующими аккордами из генов, которые в этот момент не работают, «замолкают».

Это было показано на растениях, но то же самое происходит, вероятно, в каких-то случаях и у человека, как и у любого многоклеточного организма. Оказалось, что число участков в геноме, регулирующих сложнейшие признаки, в некоторых случаях очень невелико. Например, сложнейшие признаки, возникновение которых требует вовлечения десятков или сотен генов, могут регулироваться всего тремя-четырьмя «кнопками». Это открытие одновременно и усложняет, и упрощает картину регуляции работы генных ансамблей при формировании признака.

Где эти «кнопки» у человека, мы пока не знаем, но, возможно, как и у растений, для возникновения сложнейших признаков необходимо всего лишь небольшое число регулирующих участков — три- четыре «кнопки аккордеона», которые управляют работой сочетаний сотен генов.

— А мутации? Какова их роль?

— Мутация внутри гена способна менять его структуру. Ген при этом может испортиться и не работать. Это известно более 100 лет. Но ген. как и лампочку, можно выключить, не ломая, а нажав, как и в лампочке, генетический переключатель- регулятор, расположенный очень далеко от него. И это знание имеет огромное значение и для науки, и для медицинской генетики, поскольку нас ведь интересует не то, что происходит с конкретным геном, а то, какой получится признак. А каждый признак — это сотни одновременно работающих и одновременно не работающих генов. Комбинаторика того, как работает весь генетический текст в формировании того или иного признака, фантастически велика. Вот это новое! И к этому привела нас геномика.

- Что же все-таки дает это новое знание — возможно, не для немедленного применения, но для практических подходов?

- Все мы состоим примерно из 300 видов тканей, которые образуют органы. Но ведь 300 — это ничтожное число, это не миллионы, а количество сочетаний этих регуляторов на много порядков величин больше. И формирование конкретного органа определяется тем. какая, условно говоря, появится разметка генетического текста (модификация каких букв-нуклеотидов) — в каком моменте индивидуального развития, в каком месте генетического текста. То есть мы можем говорить о нескольких уровнях реализации генетической информации в признаке, и, с одной стороны, эта картина регуляции гораздо более сложная, но с другой — нам теперь понятно, что именно исследовать и, более того, как это делать. Все это связано с геномикой: фактически мы ищем координаты действия регуляторов, наблюдая, какие участки ДНК (а они все известны с точностью до одной буквы, одного нуклеотида) взаимодействуют с белками или с регуляторами при химической модификации самой ДНК.

Сколько этих уровней, мы еще не знаем, но ясно, что и самих красок много, и уровней известно по крайней мере два. И это предмет экспериментальных структурно-функциональных исследований генома, которые сейчас активно ведутся во всем мире.

- Как вы можете оценить сейчас, спустя 20 лет, значение расшифровки генома человека?

- Расшифровка генома человека — безусловно, фантастический базовый результат, интересный для науки. Но с точки зрения изучения живого гораздо более важно, что появились методы исследования любого генома — растений, животных, человека, микроба, вируса. Вообще, разнообразие, совокупность разных генов, которые есть в различных бактериях, намного больше, чем генов в человеческом организме. Такое знание очень много дает с практической, медицинской точки зрения. Приведу в пример лишь одно понятие, ставшее модным, — микробном. Это совокупность генетического материала всех видов микробов в кишечнике одного человека, что открыло новые возможности диагностики и лечения самых разных заболеваний.

— Что вас лично занимает сейчас больше всего, после того как вы оставили пост директора и стали научным руководителем института?

- Пожалуй, меня больше всего интересует то, каким образом реализуется собственно генетическая информация. Необходимо найти способ обнаружения трех-пяти тех самых «кнопок» — регуляторов. критическим образом влияющих на признак. Конечно, это меняет всю картину того, что мы должны делать с точки зрения диагностики каких-то заболеваний, но главное — их лечения. Ведь если есть центральная «кнопка» и она может сработать как-то иначе, это совсем другой путь, нежели «перебирать» гены в поисках того самого, на который нужно воздействовать (а такой ген не обязательно только один).

Поэтому сейчас необходимо найти возможность подтвердить или опровергнуть существование передачи регулирующих «кнопок» в поколениях или возможности появления этой «раскраски» как признака, наследуемого вместе с хромосомой.

То есть его возникновение в следующем поколении аналогично мутации, хотя и не приводит к появлению последовательности новых нуклеотидов. Здесь появляется необходимость новой терминологии, этому феномену нужно дать новое определение. Оно будет в чем-то совпадать с предыдущим: мутация — это наследуемое изменение, связанное со структурой ДНК. Но в данном случае — не с точки зрения присутствия определенной буквы, а с точки зрения ее функционирования.

Это очень интересно, и в последние три года я увлечен тем, чтобы найти подтверждения существованию этого явления, которое можно обозначить как регуляцию генных ансамблей, а не только отдельного гена. В 70-е гг. прошлого столетия появилась генная инженерия, она перешла в технологию. в умение использовать знание структуры для получения полезных продуктов, лекарств, метаболитов. но все это— исследования, которые, повторяю, были связаны с отдельными генами.

Экспериментируя с растениями, мы уже можем управлять генными ансамблями, нажимая на несколько «кнопок», играя аккордами, менять признаки — например, сделать длинный или короткий корень.

Это пример того, как фундаментальная наука сначала развивается просто ради познания, а потом вдруг оказывается, что полученные результаты всем нужны. У бактерии существует иммунитет устойчивости к паразитам, она способна «разрубить» ДНК паразита, который в нее проник. И если такая бактерия, уже содержащая в себе кусочки вируса, с этим вирусом встречается, она включает механизм, который убивает генетический текст вируса целиком. Эту систему (ее генетика понятна) разобрали, как машинку, на кусочки. потом собрали в пробирке, и мы можем в любом организме, зная «адрес» из 20 букв-нуклеотидов, выбрать мишень в геноме паразита, уничтожить ее. а наш организм останется живым. Такая система редактирования генома называется CRISPR, и она стала настоящим открытием в науке.

Казалось бы. зачем изучать, как бактерии, чуждые нам. защищаются от вируса, который нас не заражает? Оказалось, что это нужно всем — генетикам растений, генетикам животных, человека.

Совершенно другой пример, уже из моей непосредственной работы, которой я сейчас занимаюсь. Мы инициировали создание программы, которая называется «ДНК-идентификация». Началось с террористического акта в Домодедове, когда погибло много людей. Было известно, что бомбу взорвал террорист, обнаружили его останки, но у следствия не было возможности выяснить, кто он такой. Обратились к генетикам. По вариантам определенных участков генетического текста можно определить территорию происхождения предков и родственников данного человека, а через это — и его самого. Исследовав генетический материал, принадлежащий террористу, мы выяснили, что данная особенность генетического текста встречается лишь в одном конкретном регионе нашей страны, территориально очень ограниченном, и искать надо именно там. Личность террориста была установлена за неделю!

Почему это стало возможным? Так получилось, что регион, откуда террорист родом, уже был исследован в рамках фундаментальной работы в области геномной географии. Была фундаментальная наука, интересная генетикам, антропологам, этнологам. И были выявлены генетические особенности населения некоторых регионов, сформировавшиеся исторически, в результате расселения и смешения разных потоков миграций. Такие исследования могут иметь очень серьезные перспективы. После этого случая государство выделило большие средства на данную работу, чтобы ее результаты были применимы на всей территории нашей страны.

Подводя итоги. Моя задача как научного руководителя института— поиск и привлечение в институт новых лидеров и формулирование принципиально новых тем научных работ. Как мы уже говорили, сегодня в генетике открываются новые горизонты, новые направления исследований, о которых раньше и речи быть не могло. Я стараюсь создать условия для развития в институте этих новых направлений. У меня для этого есть все возможности: я знаю всех, кто пришел в институт до меня, знаю генетиков, которые не в полной мере реализовали себя в других институтах, и стараюсь сделать так. чтобы сотрудник мог проявить и развить свои качества как генетик именно в нашем Институте общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН. Нужно создавать людям привлекательные условия. по крайней мере психологические, для работы в своей стране.

Самая важная работа, по моему мнению. — привлечение в наш институт новых лидеров науки. И это происходит. Были созданы новые лаборатории и отделы: генетических основ биотехнологии, генетики и геномики, биоинформатики и системной биологии, геномной географии. К нам приходят исследователи, которые продуктивно работают здесь и параллельно возглавляют лаборатории, например, в США. Считаю, это хорошо, поскольку они владеют пониманием и умением организации науки в другой стране, которая в настоящий момент более продуктивна. Эти исследователи приходят со своими уникальными представлениями, а я стараюсь найти задачи, которые сейчас интересны для такого сильного специалиста, для нашего института, для нашей страны и потому — для всего мира.

Беседовала Елена Кокурина

Источник