Конкурс «био/мол/текст»-2014

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2014 в номинации «Лучший обзор».

---

Главный спонсор конкурса — дальновидная компания Генотек.
Конкурс поддержан ОАО «РВК».

---

Спонсором номинации «Биоинформатика» является Институт биоинформатики.
Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.
Свой приз также вручает Фонд поддержки передовых биотехнологий.

Дарвин и Фрейд заходят в бар. Там на двух барных стульчиках сидят двое мышей-алкоголиков — мама и сын — и хлещут джин из двух наперстков.
Мама-мышь подымает глаза и говорит:
— Эй, гении, расскажите мне, как мой сын дошел до такого жалкого состояния?
— Плохая наследственность, — отвечает Дарвин.
— Плохая материнская забота, — говорит Фрейд.
Из журнала Discover

Материнская забота улучшает стрессоустойчивость

Есть много научных тематик, призвавших на помощь эпигенетику для объяснения тех или иных механизмов. Об этом подробно написано на «Биомолекуле» [1–3]. Здесь же пойдет речь об эпигенетике поведения. Интерес к этой области возник десять лет назад, когда было показано, как забота о потомстве у крыс влияет на стрессоустойчивось этого потомства [4].

Забота о детях начинается у крыс сразу после родов — они уделяют своему потомству много времени, кормят, чистят и вылизывают малышей. Однако в популяции крыс существуют индивидуальные различия в материнском поведении — некоторые матери не уделяют достаточно внимания уходу за детенышами. Было замечено, что у заботливых матерей потомство вырастает значительно менее боязливым и лучше обучается, в то время как дети равнодушных мамаш оказываются тревожными и труднее поддаются обучению. Оказалось, что материнское поведение в самом начале жизни детенышей (а именно в первую неделю после рождения, когда детеныши наиболее уязвимы) оказывает влияние на силу ответа гипоталамо-гипофизарной-надпочечниковой системы на стресс.

Гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система управляет реакциями на стресс

Способность млекопитающих вырабатывать сложные поведенческие ответы на окружающие факторы обусловлена слаженной работой нервной и эндокринной систем. Важную роль в реакции организма на психоэмоциональный стресс играет активация гипоталамо-гипофизарно-надпочечникового механизма образования глюкокортикоидных гормонов: у человека это кортизол, у крысы — кортикостерон [5]. Гипоталамус и гипофиз — две небольшие, но чрезвычайно важные области мозга (рис. 1). Гипофиз в этой паре можно назвать генералом, а на роль генералиссимуса претендует гипоталамус. Нейросекреторные клетки гипоталамуса выделяют специальные гормоны — рилизинг-факторы, — которые переносятся с током крови в заднюю долю гипофиза. Здесь они стимулируют синтез гипофизарных гормонов, которые, в свою очередь, дирижируют работой других желез, в том числе работой надпочечников по производству глюкокортикоидных гормонов.

Однако и активность самого гипоталамуса по выделению рилизинг-факторов регулируют некоторые другие структуры головного мозга. В их числе гиппокамп — самая древняя в эволюционном отношении и, наверное, самая загадочная область мозга [6]. Считается, что гиппокамп играет важную роль в обеспечении эмоциональной фиксации индивидуального опыта, процессе формирования ранней памяти [7] и обучения [8]. Нужно отметить, что именно гиппокамп занимает одно из первых мест среди различных отделов головного мозга по плотности глюкокортикоидных рецепторов, и поэтому он очень чувствителен к действию глюкокортикоидов — гормонов стресса. Глюкокортикоидные рецепторы относятся к так называемым ядерным рецепторам (рис. 2). Это означает, что взаимодействие гормона с рецептором приводит к активации последнего и позволяет ему связаться напрямую с участками ДНК в регуляторных районах подконтрольных генов [9], [10].

Если вырабатывается слишком много гормонов, это свидетельствует о стрессовом ответе чудовищной силы, который необходимо остановить, чтобы не нарушить сбалансированную работу всех систем организма. Поэтому, чем больше глюкокортикоидных рецепторов имеет клетка, тем «чувствительнее» она к повышению уровня глюкокортикоидных гормонов в крови и тем быстрее дает сигнал к торможению стрессового ответа [11]. Известно, что выборочный нокдаун гена глюкокортикоидного рецептора у грызунов приводит к увеличению активности гипоталамо-гипофизарно-надпочечникового механизма, что приводит к снижению эффективности борьбы со стрессом [12], [13]. Наоборот, усиленная экспрессия гена глюкокортикоидного рецептора приводит к повышенной чувствительности клеток мозга в ответ на выработку глюкокортикоидов, что заставляет гипоталамо-гипофизарную систему уменьшать силу ответа на стресс [14].

Активность генов зависит от материнской заботы

Разберем некоторые особенно важные эпигенетические модификации (рис. 3). Пожалуй, главная из них — это метилирование ДНК, то есть, присоединение метильной групп к нуклеотиду цитозину в определенных регионах ДНК, так называемых CpG-островках. Метилирование заставляет ген «замолчать», то есть, запрещает его транскрипцию.

Еще один тип эпигенетической регуляции — модификации гистонов, особых белков, необходимых для поддержания ДНК в порядке. ДНК — это очень длинная нить, которая неизбежно запутается, если ее на что-нибудь аккуратно не намотать. Роль таких «катушек для наматывания» и выполняют гистоны. Чтобы ДНК могла транскрибироваться, ей нужно на время размотаться с гистона. Модифицируя гистоны тем или иным способом, можно облегчить или затруднить разматывание ДНК и таким образом повлиять на транскрипцию гена. Одна из самых распространенных модификаций гистонов — ацетилирование (присоединение ацетильных групп к остаткам лизина); гены, гистоны которых ацетилированы, транскрибируются лучше. О других видах эпигенетической регуляции можно прочитать в статье «Развитие и эпигенетика, или история о минотавре» [1].

В поисках механизма, объясняющего разницу в ответе на стресс среди крыс, имеющих счастливое детство, и других, лишенных необходимой заботы, исследователи обратили внимание на регуляторную область глюкокортикоидного рецептора — экзон 1₇. С помощью бисульфитного секвенирования — методики, позволяющей определить метилирование ДНК, — ученые обнаружили разницу в метилировании нескольких цитозинов в составе экзона 1₇ в нейронах гиппокампа животных с разным эмоциональным опытом, полученным в детстве. У животных, окруженных заботой в детстве, цитозиновые остатки оказываются неметилированными — а значит, ген глюкокортикоидного рецептора активно транскрибируется. И действительно, у таких животных наблюдается повышенное количество соответствующей мРНК. Отсутствие метилирования коррелирует с высоким уровнем ацетилирования некоторых форм гистонов, которое, как известно, является маркером активного хроматина (см. выше). У животных, не получивших нужного ухода в детстве, напротив, наблюдалось метилирование цитозиновых остатков в экзоне 1₇ и сниженное количество экспрессируемой мРНК.

Может ли мачеха быть лучше родной мамы?

В доказательство того факта, что именно материнское поведение влияет на эпигенетические изменения в экзоне 1₇, был проведен следующий эксперимент: в период 12 часов после рождения потомство от заботливых матерей отдавали на воспитание менее заботливым и наоборот. Оказалось, что у детенышей, воспитанных заботливыми приемными матерями, отсутствие метилирования цитозинов в составе экзона 1₇ неотличимо от такового у детенышей, рожденных от заботливых матерей. В случае, если детеныш от заботливой матери попадал к равнодушной мачехе, наблюдались все те же изменения в метилировании, как если бы он был рожден и воспитан недобросовестной родной мамой.

Как заставить гены забыть прошлое

Если детенышу так уж не повезло в детстве, есть ли возможность изменить его стрессоустойчивость? Можно ли изменить молекулярные механизмы, происходящие в экзоне глюкокортикоидного рецептора? Исследователи утверждают, что ингибитор деацетилаз TSA приводит к повышению уровня ацетилирования гистонов в экзоне 1₇ глюкокортикоидного рецептора у потомства незаботливых матерей и, тем самым, увеличивает количество молекул фактора транскрипции NGFI-A, которые привлекаются к этому экзону и способствуют активации транскрипции гена. Наряду с этим, при обработке TSA происходит гипометилирование CpG-островков в этой же области, что также приводит к активации транскрипции. Однако нужно отметить, что при повышении уровня мРНК количество белка, субъединицы которого образуют глюкокортикоидный рецептор, не увеличивалось. Этот факт говорит о том, что влияние материнской заботы на формирование стрессоустойчивости значительно сложнее, чем просто влияние на метилирование нескольких цитозинов в экзоне. Тем не менее, исследования в этой области могут привести к изобретению лекарственных препаратов, с помощью которых можно корректировать негативный опыт, полученный в детстве.

Как эпигенетические изменения передаются из поколения в поколение

В дальнейших исследованиях (теперь уже проведенных на мышах) было показано, что тревожные расстройства и сниженную способность к ориентации на новых пространствах проявляли в основном самцы незаботливых матерей [15]. В то же время самки мышей лучше справлялись с заданиями и не демонстрировали депрессивного поведения [16]. Полагают, что это может быть связано с различным действием половых гормонов на организм, однако этот факт требует дальнейших проверок.

Отсутствие материнской заботы можно заменить, в экспериментальных целях, неожиданным отлучением детенышей от матери на ранних сроках вскармливания. В этом случае, вырастая во взрослых животных, они (в основном, самцы) будут проявлять все симптомы тревожного поведения. Исходя из этих фактов, ученые скрещивали самцов, подвергавшихся раннему стрессу из-за отсутствия материнской заботы (F1), с нерожавшими самками (считается, что первородящие самки — самые заботливые матери) и убеждались, что детеныши получают нормальный уход, растут и набирают вес в соответствии с нормами. Удивительно, что самки F2 проявляли все признаки тревожного поведения, которое корректировалось получением антидепрессантов. Самцы поколения F2, напротив, были активны и не демонстрировали повышенной тревожности. А вот потомки самцов F2 вновь демонстрировали поведенческое отчаяние и другие признаки депрессии (рис. 4). Почему именно самки F2, а не самцы, оказываются настолько уязвимыми для этого типа депрессии, пока не понятно, но видно, что такая депрессия наследуется в ряду поколений.

В качестве молекулярного механизма, объясняющего влияние стресса, полученного в раннем детстве, на отсутствие стрессоустойчивости у взрослых животных, ученые вновь предлагают рассматривать эпигенетические изменения, в частности, изменение уровня метилирования некоторых генов как в половых клетках самцов, так и в клетках мозга их потомков.

Гиперметилирование CpG-островков в регуляторных регионах генов MeCP2, CB1 и гипометилирование регуляторной области гена CRFR2 приводили к уменьшению экспрессии мРНК этих генов. При этом не наблюдалось изменений в метилировании регуляторных областей генов серотонинового рецептора (играющего значительную роль в развитии депрессии) и моноамиоксидазы (катализирующей расщепление серотонина). Изменения уровней метилирования, происходящие одновременно в разных генах, позволяют полагать, что множество генов оказывает влияние на поведение особей.

Результаты этого исследования свидетельствуют о том, что постнатальный стресс оказывает влияние не только на детей, но и на более отдаленных потомков.

Эпигенетические механизмы у людей

Механизм нейрогормонального ответа на стресс у людей имеет много общего с реакцией на стрессовую ситуацию у животных. К настоящему моменту существуют исследования о взаимосвязи депрессивного поведения с негативным опытом раннего возраста не только для грызунов и нечеловекоподобных приматов, но и для человека. Существуют свидетельства того, что люди, подвергавшиеся стрессу в раннем возрасте , чаще страдают депрессией. Это связывают с усилением активности гипоталамо-гипофизарной системы в ответ на повышенную частоту стрессовых ситуаций в детстве [18].

Конечно, у людей все тоньше и сложнее поддается интерпретации. Возможно, на эпигенетику оказывает влияние не только сам стресс, но и воспоминания о нем; возможно, у разных людей эти воспоминания будут преуменьшены или преувеличены. В этом случае желательно исследовать людей, которые испытали стресс в столь раннем возрасте, что совершенно точно не могут о нем помнить. — Ред.

Для исследования этого вопроса использовали мозг людей, покончивших жизнь самоубийством [19]. Здесь нужно отметить, что авторы исследования вовсе не зашли так далеко, чтобы напрямую связывать стресс, полученный в детском возрасте, со склонностью к суициду (хотя существуют исследования, свидетельствующие в пользу этой гипотезы [20–22]). Отдавая должное роли психологического склада личности в совершении суицида, нужно понимать, что множество других факторов играет значительную роль в принятии решения покончить жизнь самоубийством. Однако базисом для этого решения может быть сниженная устойчивость к стрессовым ситуациям.

Среди покончивших жизнь самоубийством выделили две группы: людей, подвергавшихся неправильному обращению в детстве, и людей, у которых было нормальное полноценное детство. Предметом исследования вновь был экзон 1_F гена глюкокортикоидного рецептора NR3C1, гомологичный экзону 1₇ регуляторной области гена глюкокортикоидного гена крыс. Интересно, что в клетках мозга у людей, подвергавшихся стрессу в раннем возрасте, наблюдалось увеличение уровня метилирования экзона 1_F и уменьшение количества соответствующей мРНК . Кроме того, в этих случаях, наблюдалось снижение уровня связывания транскрипционного фактора NGFI-A, который считается ответственным за регуляцию экспрессии гена глюкокортикоидного рецептора. У людей, в детстве которых не было отмечено значительного негативного опыта, изменений в метилировании экзона 1_F не наблюдалось. Этот факт говорит о том, что изменение уровня экспрессии генов глюкокортикоидного рецептора зависит именно от получения достаточной заботы в раннем возрасте, а не связан напрямую со склонностью к суициду .

К результатам по уровню мРНК, возможно, стоит отнестись скептически. Все, кто работают с мРНК, знают, что эти молекулы столь же нестабильны и склонны к деградации, сколь и важны для исследования. О сохранности мРНК в мозге человека через разное время после смерти существуют противоречивые сведения [23], [24]. Это заставляет с осторожностью интерпретировать вышеуказанные данные. — Ред.

Интересная закономерность касается связи между родительством и интеллектом. В недавней работе, являющейся результатом многолетних исследований, такой связи не выявлено вовсе. Судя по ней, интеллект зависит почти исключительно от генетики, а то, насколько много занимались с ребенком в детстве, оказывает на итоговый уровень интеллекта довольно слабое влияние [25]. — Ред.

Сейчас появляется все больше исследований, которые демонстрируют взаимосвязь между употреблением разных видов пищи, образом жизни и эпигенетическими изменениями ДНК не только в одном организме, но и у его потомства. Склонность к диабету и ожирению передается внучкам (именно девочкам) от дедушек-крыс, потреблявших пищу с высоким содержанием жиров. Причиной этого являются нарушение толерантности к глюкозе и нарушения в секреции инсулина, имеющие эпигенетический характер [26].

Существуют также данные о том, что кратковременное или даже однократное употребление алкоголя, никотина, кокаина, амфетамина или опиатов грызунами приводит к изменению экспрессии некоторых генов. Результатом таких изменений становится появление пристрастия к различным веществам [27]. Кроме того, известно, что потомки животных с измененной под влиянием кокаина экспрессией генов плохо обучаются, характеризуются снижением внимания и памяти, плохо ориентируются в пространстве [28].

Подводя итог вышесказанному, нужно отметить, что на данный момент обнаружены лишь единичные закономерности, которые указывают на связь между поведением и эпигенетическими изменениями в клетках живых организмов. Некоторые ученые скептически относятся к исследованиям в этой области еще и потому, что трудно грамотно поставить эксперимент, чтобы продемонстрировать, что никакие неожиданные факторы, кроме заявленных форм поведения, не влияют на изменения на молекулярном уровне. Не говоря о том, как непросто изучать поведение животных и человека. Сейчас большие надежды возлагаются на активно развивающиеся полногеномные методы, которые предоставляют огромные массивы данных об эпигенетических изменениях всех генов в геноме. Возможно, грамотный анализ этих данных поможет установить взаимосвязь между эпигенетическими изменениями и разнообразием поведенческих ответов.

Литература

1. Развитие и эпигенетика, или История о Минотавре;
2. Разнообразия много не бывает: чем занимаются мобильные элементы генома в мозге;
3. Пилюли для эпигенома;
4. Ian C G Weaver, Nadia Cervoni, Frances A Champagne, Ana C D'Alessio, Shakti Sharma, et. al.. (2004). Epigenetic programming by maternal behavior. Nat Neurosci. 7, 847-854;
5. Dick F. Swaab, Ai-Min Bao, Paul J. Lucassen. (2005). The stress system in the human brain in depression and neurodegeneration. Ageing Research Reviews. 4, 141-194;
6. James P. Herman, Michelle M. Ostrander, Nancy K. Mueller, Helmer Figueiredo. (2005). Limbic system mechanisms of stress regulation: Hypothalamo-pituitary-adrenocortical axis. Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry. 29, 1201-1213;
7. Jinzhao Ji, Stephen Maren. (2007). Hippocampal involvement in contextual modulation of fear extinction. Hippocampus. 17, 749-758;
8. La Bar and Disterhoft JF. (1998). Conditioning, awareness, and the hippocampus. Hippocampus 8, 620–606;
9. David J. Mangelsdorf, Carl Thummel, Miguel Beato, Peter Herrlich, Günther Schütz, et. al.. (1995). The nuclear receptor superfamily: The second decade. Cell. 83, 835-839;
10. ALLAN MUNCK, ROSEMARY FOLEY. (1979). Activation of steroid hormone–receptor complexes in intact target cells in physiological conditions. Nature. 278, 752-754;
11. E. Ronald de Kloet, Erno Vreugdenhil, Melly S. Oitzl, Marian Joëls. (1998). Brain Corticosteroid Receptor Balance in Health and Disease1. Endocrine Reviews. 19, 269-301;
12. M. P. Boyle, J. A. Brewer, M. Funatsu, D. F. Wozniak, J. Z. Tsien, et. al.. (2005). Acquired deficit of forebrain glucocorticoid receptor produces depression-like changes in adrenal axis regulation and behavior. Proceedings of the National Academy of Sciences. 102, 473-478;
13. S. Ridder. (2005). Mice with Genetically Altered Glucocorticoid Receptor Expression Show Altered Sensitivity for Stress-Induced Depressive Reactions. Journal of Neuroscience. 25, 6243-6250;
14. Holger M. Reichardt, François Tronche, Anton Bauer, Günther Schütz. (2000). Molecular Genetic Analysis of Glucocorticoid Signaling Using the Cre/loxP System. Biological Chemistry. 381;
15. Tamara B. Franklin, Holger Russig, Isabelle C. Weiss, Johannes Gräff, Natacha Linder, et. al.. (2010). Epigenetic Transmission of the Impact of Early Stress Across Generations. Biological Psychiatry. 68, 408-415;
16. Andrew Holmes, Anne Marie le Guisquet, Elise Vogel, Rachel A. Millstein, Samuel Leman, Catherine Belzung. (2005). Early life genetic, epigenetic and environmental factors shaping emotionality in rodents. Neuroscience & Biobehavioral Reviews. 29, 1335-1346;
17. Raphaël Métivier, Rozenn Gallais, Christophe Tiffoche, Christine Le Péron, Renata Z. Jurkowska, et. al.. (2008). Cyclical DNA methylation of a transcriptionally active promoter. Nature. 452, 45-50;
18. Christine Heim, Charles B Nemeroff. (2001). The role of childhood trauma in the neurobiology of mood and anxiety disorders: preclinical and clinical studies. Biological Psychiatry. 49, 1023-1039;
19. Patrick O McGowan, Aya Sasaki, Ana C D'Alessio, Sergiy Dymov, Benoit Labonté, et. al.. (2009). Epigenetic regulation of the glucocorticoid receptor in human brain associates with childhood abuse. Nat Neurosci. 12, 342-348;
20. M J Webster, M B Knable, J O'Grady, J Orthmann, C S Weickert. (2002). Regional specificity of brain glucocorticoid receptor mRNA alterations in subjects with schizophrenia and mood disorders. Mol Psychiatry. 7, 985-994;
21. Alan F. Schatzberg, Anthony J. Rothschild, Philip J. Langlais, Edward D. Bird, Jonathan O. Cole. (1985). A corticosteroid/dopamine hypothesis for psychotic depression and related states. Journal of Psychiatric Research. 19, 57-64;
22. Isometsä E.T., Henriksson M.M., Aro H.M., Heikkinen M.E., Kuoppasalmi K.I., Lönnqvist J.K. (1994). Suicide in major depression. Am. J. Psychiatry 151, 530–536;
23. Barbara K. Lipska, Amy Deep-Soboslay, Cynthia Shannon Weickert, Thomas M. Hyde, Catherine E. Martin, et. al.. (2006). Critical Factors in Gene Expression in Postmortem Human Brain: Focus on Studies in Schizophrenia. Biological Psychiatry. 60, 650-658;
24. Marielle Heinrich, Katja Matt, Sabine Lutz-Bonengel, Ulrike Schmidt. (2007). Successful RNA extraction from various human postmortem tissues. Int J Legal Med. 121, 136-142;
25. Kevin M. Beaver, Joseph A. Schwartz, Mohammed Said Al-Ghamdi, Ahmed Nezar Kobeisy, Curtis S. Dunkel, Dimitri van der Linden. (2014). A closer look at the role of parenting-related influences on verbal intelligence over the life course: Results from an adoption-based research design. Intelligence. 46, 179-187;
26. Sheau-Fang Ng, Ruby C. Y. Lin, D. Ross Laybutt, Romain Barres, Julie A. Owens, Margaret J. Morris. (2010). Chronic high-fat diet in fathers programs β-cell dysfunction in female rat offspring. Nature. 467, 963-966;
27. Chloe C. Y. Wong, Jonathan Mill, Cathy Fernandes. (2011). Drugs and addiction: an introduction to epigenetics. Addiction. 106, 480-489;
28. Fang He, Irina A. Lidow, Michael S. Lidow. (2006). Consequences of paternal cocaine exposure in mice. Neurotoxicology and Teratology. 28, 198-209.