Проблема индивидуального развития организма является одной из ключевых проблем современной биологии. За последнее десятилетие исследований процессов эмбрионального развития и образования раковых опухолей биологи установили, что человеческий геном изменяется на протяжении жизни человека под влиянием внешних факторов. При этом внешние факторы изменяют поведение генов, не влияя на заключенную в них информацию. Вместо того, чтобы вносить в гены мутации, эпигенетические факторы способствуют изменению их активности, а в некоторых случаях – необратимо [3]. Эпигенетика сегодня находится в центре современной медицины, поскольку эпигенетические изменения могут играть большую роль в развитии таких заболеваний, как диабет, аутизм, рак, наркозависимость и депрессии, шизофрения. Согласно последним данным, внешние воздействия влияют на психику через эпигенетическое маркирование хромосом. Присоединение или отщепление от ДНК и гистонов определенных химических групп приводит к изменению активности генов, при этом заключенная в них информация сохраняется [15]. Эпигенетические изменения наследственного материала не имеют ничего общего с мутациями. Гены, в которых закодирована информация о синтезе белков, состоят из нуклеотидов. Замена одного нуклеотида может привести к синтезу дефектного белка. Эпигенетические изменения влияют на активность генов. Химические группы – эпигенетические маркеры – присоединяются либо к самой ДНК, либо к гистоновым комплексам, на которые эта ДНК закручена. Замена маркеров или их отсоединение могут повлиять на поведение генов, при этом заключенная в них информация не изменяется. Некоторые эпигенетические маркеры подавляют активность генов, способствуя уплотнению помеченной ими области хроматина и экранированию ее от белков, которые считывают генетическую информацию. Плотно упакованные участки ДНК, погруженные вглубь хромосом, находятся в неактивном состоянии [1].
Могут ли такие эпигенетические факторы, как психотропные вещества или хронический стресс, изменить реакцию головного мозга на различные воздействия? Может ли эпигенетика пролить свет на механизм быстрого формирования наркозависимости у определенного контингента людей при действии психоактивных веществ, объяснить механизм передачи предрасположенности к психическим расстройствам от поколения к поколению?
Целью работы явилось разобраться в природе генетических корней наркотической зависимости, депрессии, аутизма, шизофрении в условиях влияния эпигенетических воздействий. Как и многие соматические заболевания, психическая патология имеет отчетливо выраженную наследственную составляющую: риск возникновения наркозависимости или депрессии примерно наполовину связан с генетикой –
это больше, чем для артериальной гипертензии или многих видов онкологической патологии [15].
Установлено, что в основе эпигенетической «маркировки» отдельных участков генома и явления геномного импринтинга в частности лежат специфические структурно-молекулярные изменения отдельных участков хромосом, происходящие во время формирования мужских и женских половых клеток, которые приводят к стойким функциональным различиям экспрессии гомологичных генов у потомства [2]. Основную роль в этом процессе отводят специфическому для особей разного пола метилированию цитозиновых оснований в CpG-динуклеотидах ДНК, которое устанавливается во время гаметогенеза и выключает транскрипцию генов. Специфические для родителей эпигенетические отпечатки, подавляющие транскрипцию генов, стираются в примордиальных половых клетках плода и вновь устанавливаются в зрелых половых клетках потомка в соответствии с его полом, обеспечивая дифференциальную экспрессию отцовских или материнских генов в следующем поколении. Тканеспецифичное метилирование цитозиновых остатков ДНК у млекопитающих осуществляется с помощью четырех ДНК-метилтрансфераз (Dnmts) ? Dnmtl, Dnmt2, Dnmt3A и Dnmt3B. Dnmtl поддерживает специфический рисунок метилирования в митотически размножающихся клетках. После репликации две полуметилированные дочерние молекулы ДНК распознаются этим ферментом и конвертируются в полностью метилированные. Установлено, что клональные популяции гистологически однородных клеток могут не иметь однородный характер метилирования [4], и поэтому не исключено, что неточность соматической эпигенетической маркировки отдельных генетически идентичных клеток может лежать в основе их фенотипического разнообразия. Более того, существует предположение, что нарушение эпигенетической регуляции генов может определять развитие комплексных (мультифакториальных) заболеваний, причем именно эта причина лучше объясняет особенности их возникновения, чем вариации в последовательностях ДНК, включая однонуклеотидные замены оснований [7].
Идентичность геномов не гарантирует идентичности судеб их обладателей. Напротив, люди с повышенной предрасположенностью к психическим отклонениям весьма чувствительны к внешним воздействиям – будь то наркотики или стресс, а также к случайным событиям на молекулярном уровне, имевшим место в ходе развития организма. Внутренние и внешние факторы совместно воздействуют на нервные клетки головного мозга. Те обрабатывают всю поступающую информацию – ощущения от просматриваемого кинофильма, дружеских объятий, приема наркотика, курения – и передают ее другим нервным клеткам с помощью нейромедиаторов. Последние могут оказывать активирующее или подавляющее действие на специфические гены клетки-партнера. Однако чтобы понять, как именно нейрон отреагирует на поступивший сигнал и как это в конечном счете отразится на нашем поведении, нужно установить корреляцию между конкретными нейромедиаторами и генами-мишенями [13].
Многие из воздействий дают лишь кратковременный эффект. Так, кокаин активирует центр вознаграждения в головном мозге, и человек какое-то время испытывает эйфорию. Ощущение вскоре проходит, но воспоминание о нем остается. Менее понятно, как формируются длительные ощущения – депрессия при стрессе или наркозависимость. Все больше нейрофизиологов склоняются к тому, что здесь мы имеем дело с эпигенетикой [14].
Ген в традиционном понимании – это сегмент молекулы ДНК, кодирующий какой-то белок. Белки выполняют в клетке множество функций и, в конечном счете, определяют ее поведение. ДНК находится в клеточном ядре в конденсированном состоянии. Ее цепь намотана на многочисленные гистоновые «шпульки», а получившаяся в результате структура плотно упакована с образованием хромосом. Компактизация ДНК происходит не только потому, что иначе эта макромолекула не поместится в ядре, она также помогает регулировать поведение генов. Плотно упакованные участки ДНК, погруженные вглубь структуры, находятся в неактивном состоянии и недоступны для белков, участвующих в их копировании. Например, в нервных клетках гены печеночных ферментов располагаются в наиболее компактных областях хромосом, поскольку эти ферменты в данном случае не нужны. В клетках печени они, напротив, локализованы в более или менее рыхлых областях, и на них синтезируется РНК. Какая область хромосомы будет находиться в релаксированном состоянии (готовом к активации), а какая в конденсированном (исключающем активацию), зависит от эпигенетических маркеров, особых молекул или химических групп, присоединяющихся к гистонам или самой ДНК [6].
Распределение таких меток вдоль хромосомы дает своеобразный код, согласно которому и происходит компактизация одних областей хромосом и разрыхление других, а тем самым – активация или блокирование соответствующих генов. В эпигенетической модификации участвует множество ферментов: одни катализируют присоединение маркеров к хромосомам, другие – отсоединение. К первой категории относится, например, фермент гистон-ацетилаза, способствующий присоединению с гистонами ацетильных групп, а ко второй – гистон-дезацетилаза, оказывающий обратное действие [3].
«Расшифровывают» эпигенетический код другие белки. Они связываются с маркерами, разрыхляют или уплотняют области хромосом и мобилизуют регуляторные белки, которые стимулируют или подавляют транскрипцию специфических генов. Гистоны, несущие ацетильные группы, связывают белки, которые разрыхляют хроматин и создают условия для присоединения белков – активаторов транскрипции. Метилированные гистоны, напротив, мобилизуют белки, подавляющие или активирующие транскрипцию в зависимости от расположения метильных групп [4].
Таким образом, средовые факторы могут влиять на активность генов через эпигенетические маркеры. В одних случаях воздействие длится недолго – столько, сколько необходимо, например, для быстрого ответа нервной клетки путем импульсного выброса нейромедиатора на стимулирующий сигнал, в других оно имеет долговременный характер, а иногда сохраняется на всю жизнь, например, при запоминании какого-то яркого события [1].
Присоединение ил отщепление ацетильных и метильных групп либо других маркеров помогает головному мозгу реагировать на внешние воздействия и приспосабливаться к изменяющимся условиям. Однако данные процессы могут иметь и негативные последствия: они отвечают за пристрастие к наркотикам и депрессию в тех случаях, когда модификация нарушается. Об этом свидетельствуют результаты опытов на животных и посмертное исследование тканей головного мозга людей с различными психическими отклонениями [2].
Каким же образом наркотики и другие вещества могут влиять на центр вознаграждения в головном мозге? Имеются многочисленные свидетельства того, что в ответ на прием кокаина, опиатов и других веществ, вызывающих химическую зависимость, происходят существенные изменения в экспрессии многих генов. Некоторые из таких изменений отмечаются даже спустя месяцы после приема препарата, и механизм столь длительного воздействия совершенно не изучен.
Может ли кокаин влиять на активность генов в клетках центра вознаграждения через изменение эпигенетической маркировки? Прием всего одной дозы кокаина приводит к масштабному изменению экспрессии генов, о чем свидетельствует повышение концентрации в среде матричных РНК [11].
Еще более интересные события происходят при хронической наркотизации: какое-то количество активированных генов после ежедневных введений «замолкают», то есть становятся нечувствительными к наркотику. Однако подавляющее их число ведет себя иначе: после первой дозы они некоторое время остаются активными, но при хронической наркотизации их активность повышается еще больше и сохраняется иногда в течение нескольких недель после прекращения введений наркотика [5].
Более того, эти гены остаются высокочувствительными к кокаину, даже если сделать перерыв в инъекциях. Хроническое введение кокаина подготавливает гены к будущей активации – по существу, они «помнят» о возбуждающем действии вещества. Так эпигенетические воздействия создают предпосылки для развития наркозависимости [11].
Регулярное введение кокаина мышам избирательно изменяет конфигурацию набора ацетильных и метильных групп сотен генов в клетках центра вознаграждения. Данный процесс приводит к локальной декомпактизации хроматина, и гены в этой области оказываются незащищенными. Многие изменения в картине экспрессии генов преходящи – они наблюдаются не более нескольких часов после введения наркотика. Другие сохраняются гораздо дольше, иногда до месяца [5].
Изменение под влиянием кокаина активности ферментов, катализирующих эпигенетическое маркирование, имеет долговременный характер, что соответствующим образом сказывается на активности маркированных генов и на реакции животных на последующие инъекции наркотика. Исследования с психоактивными веществами позволили предположить, что алкоголь, принимаемый матерью во время беременности, может вызвать эпигенетические изменения в ДНК плода [9]. Для изучения механизма влияния алкоголя на экспрессию генов австралийские генетики использовали мышей с шерстью разного цвета. Цвет шерстки у этих мышей, коричневый или желтоватый, меняется именно под действием эпигенетических факторов окружающей среды. Таким образом, в случае этих мышей очень легко понять, влияют ли измененные условия окружающей среды на экспрессию генов. Ученые скрещивали женских особей мышей с двумя копиями гена, ответственного за желтый цвет шерстки, с мужскими особями с «коричневыми» генами. В этом случае наиболее вероятно рождение потомства с пестрой шерсткой (67 %), но возможны и мышата с желтой или коричневой шерсткой (примерно по 16 %). Такое соотношение должно сохраниться, если условия окружающей среды не влияют на экспрессию генов. Затем беременным мышам давали алкоголь вместо воды. Их не ограничивали в употреблении спиртного в первую половину беременности, и уровень алкоголя в их крови составлял 0,12 %. В результате этого среди новорожденного потомства число коричневых мышат вдвое превышало ожидаемое [9]. Таким образом, было доказано влияние алкоголя на экспрессию генов у мышей – он способен «включать» и «выключать» их. Следующим этапом исследования стало изучение ДНК в клетках печени новорожденных мышат. Выяснилось, что 15 генов «детей алкоголя» работали не так, как у обычных мышей: их активность изменилась. За что именно ответственны «измененные» гены, выяснить не удалось, однако точно можно сказать, что влияние алкоголя на мышей не ограничивается генами цвета шерстки, а распространяется на весь организм. Скорее всего, такой же механизм действует и на эмбрионы
людей [8].
«Алкогольное» потомство мышей, кроме того, проявляло некоторые признаки фетального алкогольного синдрома, в частности сниженный вес тела и уменьшенный череп.
В будущем генетики планируют выяснить, являются ли изменения в функционировании генов, вызванные алкоголем, устойчивыми, и возможна ли их передача по наследству. Кроме того, они надеются найти более твердые аргументы в пользу генетической природы фетального алкогольного синдрома [12]. Если удастся выяснить, экспрессию каких именно генов нарушает алкоголь, обследование на наличие синдрома можно будет проводить у новорожденных младенцев. Такие больные смогут получить больше возможностей для существования в обществе, если окажутся под социальной защитой специальных программ с самого раннего детства.
Механизмы депрессии, как и механизмы наркозависимости, были исследованы в экспериментах на животных. Мышей, отличающихся спокойным поведением, помещали в одну клетку с агрессивными собратьями. Через десять дней совместного проживания у уравновешенных животных появляются признаки депрессии: они не проявляют никакого интереса к любимым сладостям и к особям противоположного пола, становятся беспокойными и необщительными, а некоторые непрерывно едят и жиреют. Иногда такое состояние сохраняется в течение нескольких месяцев после стрессового воздействия и проходит только в результате длительного лечения антидепрессантами [8,14].
Многие изменения, обусловленные стрессом, исчезают, если животному в течение месяца давать имипрамин, один из широко применяемых в психиатрии антидепрессантов. Аналогичные эпигенетические изменения были обнаружены в ДНК головного мозга людей, которые умерли, находясь в депрессивном состоянии [10].
Несмотря на то, что депрессия – широко распространенное психическое расстройство, ей подвержены далеко не все. Такая же ситуация наблюдается и среди животных. Примерно треть мышей, находившихся в стрессовой ситуации, избежали депрессии, при том что устойчивость проявлялась на уровне генов. Многие из тех эпигенетических изменений, которые произошли у мышей, впавших в депрессию, отсутствовали у их стойких собратьев. Зато у них произошли эпигенетические изменения в других генах клеток центра вознаграждения головного мозга, отличные от таковых у пострадавших грызунов. Отсюда следует, что возможна альтернативная эпигенетическая модификация, которая носит защитный характер, и что устойчивость к стрессу – это не результат отсутствия генетически обусловленной склонности, а влияние эпигенетической программы: она включается, чтобы противостоять хроническому травмирующему психику воздействию [4].
Среди «защитных» генов, эпигенетически модифицированных у стойких к стрессу мышей, много таких, чья активность восстанавливается до нормы у депрессивных грызунов, пролеченных имипрамином. Это означает, что у людей, склонных к депрессии, антидепрессанты оказывают свое действие, помимо всего прочего запуская те же защитные эпигенетические программы, которые естественным образом работают у более стойких индивидов. В таком случае следует искать не только новые, более мощные антидепрессанты, но и вещества, мобилизующие защитные системы организма [14].
Основная задача эпигенетики на ближайшее десятилетие – применение на практике новых знаний об эпигенетических модификациях. Речь идет прежде всего о разработке более совершенных подходов к лечению больных с различными психическими расстройствами. Показано, что лекарственные вещества, которые защищают ацетильные группы гистонов, инактивируя ферменты, эти группы отщепляющие, оказывают мощное антидепрессивное действие [14].
Обнадеживающие результаты пока не позволяют говорить о прорыве в лечении депрессивных больных. Фермент гистон-дезацетилаза, катализирующий отщепление ацетильных групп, имеется в клетках самых разных областей головного мозга, а также во всех других органах и тканях, и лекарство, неизбирательно подавляющее его активность, будет оказывать нежелательное побочное действие. Альтернативой мог бы стать синтез веществ, подавляющих активность только тех разновидностей гистон-дезацетилазы, которые присутствуют в областях головного мозга, отвечающих за психическое состояние человека, например, в центре вознаграждения. Можно также попытаться идентифицировать другие белки, участвующие в эпигенетической модификации хроматина клеток головного мозга [8].
Но самый перспективный путь – выявление генов, подвергающихся эпигенетической модификации при депрессии: генов, связанных с синтезом рецепторов специфических нейромедиаторов или сигнальных белков – тех, например, которые участвуют в активации нейронов. Тогда можно будет направить все усилия на поиск лекарственных веществ, которые инактивируют эти конкретные гены или их продукты [10].
Опыты на мышах продемонстрировали роль «долгоживущих» эпигенетических изменений в развитии таких патологических состояний, как наркозависимость, депрессия, шизофрения. Дальнейшие исследования позволят найти новые способы лечения психических заболеваний, но пока в данном направлении сделаны лишь первые шаги.
Выводы
1. В формировании наркотической и алкогольной зависимости, психических изменений у человека участвуют наряду с генными эпигенетические механизмы, связанные с перестройкой активности генов.
2. Внешние факторы участвуют в формировании и хронизации наркотической зависимости через эпигенетические изменения.