Jednakowo odmienni. Dlaczego możemy zmieniać swoje geny

W ostatnich latach w genetyce nastąpiła prawdziwa rewolucja. Długo utrzymujące się dogmaty naukowe mówiły, że gdy już odziedziczymy geny, środowisko ich nie zmieni i pozostaniemy z nimi aż do śmierci.

Od niedawna – dzięki pracom takich naukowców jak Tim Spector – wiemy, że geny mogą ulegać zmianom wskutek podejmowanych przez nas życiowych decyzji, a zmiany te mogą utrzymać się przez całe ich życie i zostać przekazane następnemu pokoleniu. Dzięki procesom epigenetycznym – które niedawno odkryliśmy – geny są dosłownie włączane i wyłączane, wskutek czego nawet bliźnięta o identycznym bagażu genetycznym mogą się od siebie wyraźnie różnić.

Tim Spector jest profesorem epidemiologii genetycznej w londyńskim Kings College i dyrektorem TwinsUK Registry – jednego z największych światowych rejestrów bliźniąt. Jeden z pionierów epigenetyki, prowadzi szeroko zakrojone prace naukowe dotyczące wpływu środowiska na DNA.

Przedmowa

Procedurę starannie planowano przez miesiące, ale gdy nadszedł decydujący etap, okazało się, że nie jest dobrze. Po wielu godzinach skomplikowanej operacji, przeprowadzanej na naczyniach mózgu, zespół medyczny opadał z sił. Mała tętnica, zanim została zamknięta, strzyknęła chirurgowi cienką strużką krwi prosto w okulary. Jakieś inne naczynia krwionośne ciągle przeciekały i nie było wiadomo gdzie. Zaciskano kolejne podejrzane tętnice i żyły, ale powierzchnię odsłoniętego mózgu stale zalewała świeża krew, wskutek czego trudno było odróżnić połysk­liwą substancję szarą od naczyń. „Spada ciśnienie krwi” – oznajmił nagle kierownik zespołu anestezjologicznego. „Niedobrze” – pomyślał ponuro doktor Keith Goh, zarządzający zespołem operacyjnym. A potem rzekł: „Trzeba skończyć transfuzję tej porcji krwi i zorganizować następne. Spróbujemy zwiększyć ucisk i zastosować szwy, żeby uszczelnić oponę twardą. Może to podziała. Raczej nie mamy innego wyboru”.
Dwadzieścia dziewięć lat wcześniej w miejscu oddalonym od nas o tysiące kilometrów w następstwie serii korzystnych zbiegów okoliczności poczęły się dwie dziewczynki, bliźniaczki jednojajowe. We właściwym dniu miesiąca plemniki ich ojca (w sumie jeden z wielu miliardów), zawierające po 23 chromosomy, napotkały i zapłodniły komórkę jajową matki (jedną z czterystu), również mającą połowę swojego zestawu chromosomów, czyli 23. Zapłodniona komórka jajowa zaczęła się dzielić, a kilka dni później twór składający się z jeszcze niewielkiej liczby komórek nagle uległ podziałowi i utworzył dwa embriony identyczne pod względem genetycznym. Dwa klony rozwijały się krok po kroku przez następnych dziewięć miesięcy.
Bliźnięta urodziły się któregoś chłodnego styczniowego dnia, w niespokojnym czasie, bo tuż przed rewolucją, w Firuzabadzie, leżącym w południowo-zachodnim Iranie. Prawie nie miały kontaktu z matką i ojcem, ubogimi rolnikami, którzy musieli opiekować się jeszcze dziewięciorgiem poprzednich dzieci. Ze względu na komplikacje zdrowotne maluchy pozostały w szpitalu, a później adoptował je litościwy lekarz, borykający się z kłopotami finansowymi rodzice bowiem nie mogli ich zabrać.
Dziewczynki robiły wszystko razem. Razem jadły, bawiły się, spały, nigdy się od siebie nie oddalając. Jednak pomimo identycznych genów i identycznego środowiska życia pojawiły się między nimi wyraźne różnice. Ladan lubiła zwierzęta, a Laleh wolała gry komputerowe, których Ladan, preferująca modlitwę, nie znosiła. Gdy podrosły, obie zaczęły się oddawać przyjemności robienia zakupów, szczególnie kosmetyków. Ladan była leworęczna, a Laleh praworęczna. Chociaż dobrze szło im w szkole, często ściągały od siebie na egzaminach. Chciały razem wybrać się na studia, ale Ladan pragnęła zgłębiać prawo w Teheranie, a Laleh – dziennikarstwo w Szirazie. Ostatecznie Ladan przekonała siostrę do swoich planów. Zapytane o charakter, obie zgadzały się, że Ladan jest ekstrawertyczką, a Laleh raczej introwertyczką.
Jak można wyjaśnić te różnice osobowości? Przecież obie dziewczyny były klonami z takim samym DNA, a każda ze stu bilionów komórek budujących ich ciała zawierała te same 25 tysięcy genów. Opiekowała się nimi początkowo i karmiła je ta sama matka, a potem ten sam ojciec adopcyjny. Spędziły razem każdy dzień swojego życia. Chodziły razem do szkoły, razem studiowały, miały tych samych przyjaciół, jadły to samo. Poza tym wiązało je coś jeszcze, co sprawiało, że były bezwarunkowo nierozłączne – otóż były bliźniaczkami syjamskimi zrośniętymi głowami.
W pewnym momencie życia zaczęły marzyć o niezależności. Sześć lat próbowały przekonać lekarzy do rozdzielenia ich ciał. Specjaliści jednak nie chcieli się tego podjąć ze względu na wysokie ryzyko śmierci podczas tak skomplikowanej operacji. Bliźniaczki dzieliły niezwykle istotne naczynie krwionośne (zatokę strzałkową), biegnące na powierzchni mózgu. W końcu w 2003 roku zostały rozdzielone przez doktora Goha, doświadczonego neurochirurga z Singapuru, który zdecydował się na to wyraźne ryzyko. Przeprowadził już podobną operację u młodszych bliźniąt i optymistycznie ocenił szanse przeżycia pacjentek na prawie pięćdziesiąt procent.
Operacja rozpoczęła się pewnego mglistego lipcowego poranka w Singapurze pod kontrolą MRI (obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego). Trwała 52 godziny i zaangażowano w nią 28 chirurgów z różnych krajów oraz setki asystentów. Kosztowała wiele milionów dolarów i wymagała przygotowania specjalnego stołu operacyjnego, przypominającego podwójny fotel dentystyczny. O wszystkim na bieżąco donosiła telewizja irańska.
Po wahaniu, co robić, w kluczowym momencie, gdy już prawie przerwano działania, zespół zdecydował się na rozdzielenie głów. Mózgi jednak były ściślej połączone, niż się spodziewano na podstawie skanów, i nie można było zapanować nad krwawieniem ze skomplikowanej sieci wspólnych naczyń. Bliźniaczki nie odzyskały przytomności i pomimo ogromnych wysiłków lekarzy wkrótce zmarły. Słowa dziewcząt zamieszczone na stronie internetowej szpitala w dniu operacji brzmiały: „Modliłyśmy się codziennie za powodzenie… Mamy nadzieję, że nastąpi kres naszych kłopotów i że zaczniemy nowe i szczęśliwe życie jako dwie oddzielne osoby”. Ich marzenie ostatecznie się spełniło – zostały pogrzebane osobno. Nadal jednak są razem – leżą tuż obok siebie.
Bliźniaki syjamskie rodzą się ekstremalnie rzadko (raz na dwa miliony porodów), ale przykład Ladan i Laleh pokazuje istotę sprawy. Chociaż większość z nas żyje w jednym środowisku i ma bardzo podobne geny z rodzicami czy rodzeństwem, to nasze osobowości, upodobania, wygląd i zdrowie są odmienne. Skoro więc geny i środowisko są takie same, to skąd biorą się te różnice?
W 2009 roku zostałem konsultantem naukowym emitowanego w BBC dwuodcinkowego dokumentu Bliźnięta – po drugiej stronie lustra. Pierwsza część miniserii była prosta do zaplanowania, bo pokazywała niesamowite podobieństwo niektórych bliźniaków, nawet rozdzielonych tuż po urodzeniu. Dobrym przykładem były dwie chińskie dziewczynki – Mia i Alexandra – rozdzielone w niemowlęctwie i adoptowane przez dwie rodziny, jedną z Sacramento w Kalifornii, drugą z norweskich fiordów. Żadne z rodziców nie wiedziało, że ich córka ma siostrę bliźniaczkę. Mia i Alexandra spotkały się dopiero w wieku sześciu lat podczas kręcenia filmu. Chociaż nie władały tym samym językiem, szybko zostały kumpelkami. Od razu, kiedy tylko wyskoczyły z samochodów i pomachały do siebie, stało się jasne, że mają wyraźnie identyczne zachowania i maniery.
Króciutki czas, jaki dziewczynki spędziły z sobą, i późniejsze traumatyczne rozstanie były tak wzruszające, że wyciskały łzy z oczu. Wyjaśniłem jednak producentom programu, że przykłady takich bliźniaków są fascynujące bardziej dla widzów niż dla naukowców i że istnieją już dobrze udokumentowane dowody na to, iż wychowywane osobno bliźnięta jednojajowe wykazują wiele uderzających podobieństw. Odpowiedzieli, że w takim razie mogę zaproponować do kolejnego odcinka bardziej osobliwy problem. Zasugerowałem, by przyjrzeć się zupełnie innym bliźniakom jednojajowym – razem wychowywanym, ale całkowicie odmiennym. Naukowcy nie mają problemu z wyjaśnieniem przypadku Mii i Alexandry, wiadomo bowiem, że większość ludzkich cech w jakiejś mierze zależy od genów. Nie wiemy jednak, dlaczego ludzie żyjący w tym samym środowisku i mający te same geny mogą się od siebie bardzo różnić.
Przykłady, które ostatecznie wybraliśmy, dotyczyły różnych cech, od autyzmu, otyłości, anoreksji, starzenia skóry po homoseksualizm. Chociaż było ich kilka i zostały omówione pokrótce, robiły wrażenie. Zburzyły nasze wygodne przekonania na temat determinizmu i indywidualizmu. Nie patrzyłem na te pary jak na jakieś osobliwości, bo uświadomiłem sobie, że dzięki nim zmieniłem swoje myślenie. Dostałem klucz do lepszego poznania człowieka i mogłem wypracować alternatyw­ny pogląd na genetyczny „determinizm”.
Ladan i Laleh − istoty o identycznych genach i warunkach życia, ale z wyraźnie odmiennymi osobowościami − pokazują, że nie wiemy wszystkiego. Książka ta ma więc przedstawić nowe spojrzenie na geny i nakłonić do ponownego zastanowienia się nad kluczowymi zagadnieniami: kim jesteśmy i co o tym decyduje, co sprawia, że zachowujemy się tak, a nie inaczej, skąd się biorą cechy charakteru, dlaczego inaczej chorujemy. Dzięki zdobytej wiedzy możemy nawet zmienić niektóre długo obowiązujące w nauce prawa Darwina i  zrozumieć zasadniczą kwestię: dlaczego wszyscy jesteśmy tak podobni, mimo to tak inni.

Wstęp
Czy Darwin się mylił?

Jeszcze trzy lata temu należałem do naukowców, którzy uważają, że o wszystkim decydują geny. Przez siedemnaście lat wykonałem setki badań z udziałem bliźniąt, by przekonać sceptyczne społeczeństwo i przedstawicieli nauki, iż praktycznie każda cecha i choroba w olbrzymim zakresie zależą od genów. I zarówno ja, jak i inni moi koledzy odnieśliśmy na tym polu wielkie sukcesy. Chociaż odnalezienie genów leżących u podstaw większości chorób wydawało się bliskie, dręczyły mnie jednak wątpliwości, czy czegoś nie przegapiamy.
Dogmaty naukowe długo mówiły, że geny to twory nieulegające zmianom. Gdy je odziedziczymy, środowisko ich nie zmieni i pozostaniemy z nimi aż do śmierci, przy czym przekażemy je oczywiście w odpowiednim czasie (w niezmienionym stanie) swoim potomkom. Chociaż możemy wpływać na własne życie przez wybór przyjaciół, małżonka, aktywności albo trening pamięci, nasze geny pozostaną zawsze takie same. Sądziliśmy, że stanowią one swego rodzaju instrukcję dla ciała, decydującą o jego pracy i rozwoju, „kod życia”.
Badając bliźnięta jednojajowe (mające te same geny) i dwujajowe (mające jedynie połowę tych samych genów), stwierdziliśmy, że te pierwsze częściej zapadają na te same choroby – tak było niemal we wszystkich przypadkach schorzeń, którym się przyjrzeliśmy. Stopień współdzielenia określa współczynnik korelacji, a dzięki odrobinie prostej matematyki, polegającej na porównaniu współczynników korelacji, otrzymujemy wartość w postaci ułamka, zwaną heritability, wskaźnikiem odziedziczalności. Jeśli bada się na przykład odziedziczalność masy ciała, można porównać wagę 50 par bliźniąt jednojajowych z 50 parami bliźniąt dwujajowych i dokonać korelacji cech wewnątrz tych par w jednej i drugiej grupie. Gdy średnia wyników u tych pierwszych wynosi 90 procent, a u drugich 60 procent, odziedziczalność oblicza się, mnożąc różnicę między wynikami razy dwa, czyli 30 × 2. Mówimy, że w tym wypadku odziedziczalność wagi wynosi 60 procent. Obliczanie odziedziczalności chorób jest trochę bardziej skomplikowane, ale zasada pozostaje ta sama. Jest to po prostu stosunek różnic między ludźmi tłumaczony genami.
Takie choroby jak reumatoidalne zapalenie stawów mają odziedziczalność na poziomie 60–70 procent, co sugeruje silny wpływ otrzymanych genów. Natomiast wśród bliźniaczek jednojajowych 85 procent kobiet pozostawało zdrowych, mimo że chora była siostra, a przecież miały te same geny i prowadziły podobny tryb życia. Podobny trend stwierdziłem w odniesieniu do większości przestudiowanych przeze mnie chorób: prawdopodobieństwo, że oba bliźniaki zachorują na to samo, rzadko wynosiło powyżej 50 procent; zazwyczaj było ono znacznie mniejsze. Uświadomiłem więc sobie, że mój ugruntowany pogląd na genetykę i dominującą rolę genów może się zmienić.
Dopiero nieco ponad dziesięć lat temu naukowcy odkryli, że dieta ciężarnej może wpłynąć na funkcjonowanie genów jej dzieci, a zmiany te mogą utrzymać się przez całe ich życie i zostać przekazane następnemu pokoleniu. Geny są zatem dosłownie włączane i wyłączane dzięki nowo odkrytym procesom zwanym epigenetycznymi (termin ten oznacza „ponad genami”, przedrostek epi- pochodzi z języka greckiego) i w przeciwieństwie do tego, co sądzili naukowcy, konsekwencje tych procesów mogły przechodzić na kolejne pokolenie. W tym wypadku chodziło wprawdzie o szczurze matki, ale kolejne podobne odkrycia dotyczyły człowieka i zrewolucjonizowały nasze poglądy.
Teoria Darwina o naturalnej selekcji i ewolucji, opublikowana sto pięćdziesiąt lat temu, opierała się na kilku prostych, lecz obszernych koncepcjach, które od tego czasu wielokrotnie były analizowane albo czasami mylnie cytowane. Była ona wynikiem syntezy rozproszonych idei, uwzględniającym zasady reprodukcji, dziedziczność, zmienność między osobnikami i walkę o przetrwanie. Przebiegający wolno proces doboru naturalnego zdarza się wtedy, gdy organizmy się rozmnażają, a poszczególne osobniki – różnią od siebie (zmienność). Rozmnażanie oznacza przekazanie dalej cech rodziców, a odziedziczone cechy mają wpływ na szanse przetrwania i reprodukcję kolejnego pokolenia. Kluczowe w tym procesie naturalnej selekcji są jej nieprzewidywalność i losowość. Darwin nic nie wiedział o genach, prawach dziedziczenia Mendla ani o DNA, czyli o tym wszystkim, co zostało dołączone do teorii ewolucji w następnym stuleciu.
Pogląd, że geny to podstawa, jest w rzeczywistości relatywnie ­nowy, a jego podwalinami były odkrycia dokonywane jedno po drugim na początku XX wieku. Ustalono na przykład, że geny to fragmenty DNA, które kodują białka – związki chemiczne sterujące wszystkimi reakcjami ciała, zbudowane z różnych aminokwasów montowanych w całość w komórce. Naukowcy odkryli też, że geny występują w parach (wersje genu to allele), są uszeregowane wzdłuż 23 parzystych chromosomów (te wyglądają jak rury od odkurzacza) i zawiera je każda komórka organizmu. Jeden allel jest dziedziczony po matce, drugi po ojcu. Pary alleli w odpowiednim momencie rozdzielają się podczas procesu formowania plemnika lub komórki jajowej. Wskutek tego każde z nich zawiera tylko połowę z 46 chromosomów. A gdy komórki rozrodcze się połączą, ostatecznie liczba genów i chromosomów pozostaje taka sama jak wyjściowa. Podczas fuzji i podziału chromosomów przed utworzeniem gamet następuje losowe przetasowanie rodzicielskich (niezmienionych) genów, wskutek czego nie ma dwóch jajeczek czy dwóch plemników zawierających tę samą kombinację genów.
W 1953 roku James Watson i Francis Crick wykazali, że DNA to podwójna helisa, w której skład wchodzą cztery sczepiające się ze sobą zasady azotowe (oznaczone skrótowo literami: T, A, G, C [od nazw: adenina, guanina, cytozyna, tymina]), dzięki czemu połączenia między nićmi rozsuwają się i zasuwają jak zamek błyskawiczny – proces ten wyjaśnia, dlaczego kopie DNA i geny są tak niezawodne. Zasady te, ustawione w długich rzędach, tworzą komplementarne pary z zasadami z naprzeciwka zawsze według określonej reguły. Doprowadziło to do odkrycia mniejszej cząsteczki, nazwanej RNA, która uczestniczy w tłumaczeniu kodu DNA na budowę białek (w tym enzymów) sterujących komórką. Ustalono też, że geny mogą – chociaż dzieje się to rzadko – spontanicznie mutować, co prowadzi do chorób i stanów takich jak karłowatość. Uważano, że owe losowe zdarzenia były jedynym źródłem naturalnej zmienności, która mogła być dziedziczna.
Geny były zatem kluczem. Wszystkie te wyobrażenia, a potem jeszcze biologia molekularna i poczynione odkrycia koncentrowały się na decydującej roli genów jako pierwotnych sprawców skutków pojawiających się w wyniku produkcji białek. Nikt nie zapytał, czy środowisko może wpływać na geny/białka albo czy białka mogą wpływać na geny. Fakt, że Darwin uwzględnił w swojej teorii ewolucji ideę dziedziczenia cech nabytych, jest często pomijany.
Oczywiście według przyrodnika głównym motorem ewolucji była selekcja najlepiej przystosowanych osobników dokonująca się przez tysiąclecia w każdym pokoleniu. Teoria ta (survival of the fittest) doskonale wyjaśnia nasze genetyczne podobieństwo do innych gatunków. Ludzie mają po około 25 tysięcy genów (obecnie szacuje się, że raczej 23 tysiące), jednak są to różne ich warianty. Rodzeństwo ma te same podstawowe geny i średnio 50 procent takich samych wariantów genów. Wśród krewnych pierwszego stopnia (rodzeństwo i rodzice) niektóre warianty będą identyczne, inne już nie. Dlatego stopień podobieństwa DNA świetnie pokazuje odległość ewolucyjną od naszych przodków. Ludzi łączy z szympansami, które oddzieliły się od naszej linii ewolucyjnej 6 milionów lat temu, 99 procent DNA, z myszami (100 milionów lat) – 90 procent, z drożdżami (półtora miliarda lat temu) – 31 procent. Niezwykle bliskie pokrewieństwo genetyczne z szympansami jest nie na rękę kreacjonistom. Mają oni wielki problem ze znalezieniem lepszego wyjaśnienia niż to, że Bóg wykazał swoją żartobliwą naturę i postanowił nas zmylić. W 2000 roku Bill Clinton i Tony Blair z dumą zaprezentowali światu jedno z największych osiągnięć ludzkości: zsekwencjonowany genom człowieka – trzy miliardy par zasad budujących DNA każdej komórki. Sekwencje genów ze zbadanego DNA nie miały już przed nami tajemnic. Myśleliśmy wtedy, że wreszcie mamy narzędzia pozwalające wykryć, jak funkcjonują organizmy zwierząt i ludzi. Mówiło się, że „otwieramy wielką księgę życia”. Zapowiadano niezwykły przełom w wielu dziedzinach nauk.
Dwudziesty wiek może i był epoką genu, ale istotniejszy postęp w genetyce dokonał się dopiero w XXI wieku. Pierwsze sekwencjonowanie 3 miliardów par zasad kodu genetycznego człowieka kosztowało ponad dwa miliardy dolarów i zaangażowało tysiące badaczy na ponad dziesięć lat. Teraz można je wykonać za dwa tysiące dolarów (czyli za milion razy mniej) i cena ta stale spada. Ta rewolucja w technikach przyniosła też wiele innych korzyści.