Фраза «это наследственное» часто звучит как приговор. Мы привыкли думать, что диабет мамы или больное сердце отца — наше неизбежное будущее. А так ли это на самом дел? Оказывается не всегда. Наше поведение и окружающая среда так сильно влияют на работу наших генов, что могут изменить предначертанное. Более того: измененная таким образом информация, по мнению некоторых ученых, может передаваться детям. Как это происходит — разбиралась «МедТех Лаборатория».
Эпигенетика — раздел генетики, который изучает, как наше поведение и окружающая среда влияют на работу наших генов. В отличие от последовательности ДНК, эпигенетические метки более динамичны и могут меняться в течение жизни. На практике это означает, что наша социальная среда, режим дня и питания, физические нагрузки влияют на то, как регулируется активность генов в разных клетках организма. И более того: эта информация, по мнению некоторых ученых, может передаваться детям.
Кто играет на рояле?
Чтобы понять, как это работает, нужно разобраться в двух важных терминах. Первый — геном. Это полный набор инструкций по сборке и функционированию организма, записанный в молекуле ДНК. Последовательность ДНК у человека в целом стабильна на протяжении жизни (хотя мутации возможны), в отличие от эпигенетических меток.
Второй термин — эпигенетика (от греч. epi — «над», «сверх»). Она изучает эпигеном ― структуру вокруг генов. На сами гены она не влияет, но может регулировать их активность. Это один из механизмов, с помощью которых клетки подстраивают работу генов под условия среды.
Ученые выделяют два основных механизма, с помощью которых организм управляет генами:
1. Метилирование ДНК. Это процесс, при котором к гену прикрепляется крошечная химическая метка (метильная группа). В некоторых регуляторных участках такая метка связана со снижением активности гена, но эффект зависит от того, где именно она расположена. Так организм может «заклеить» ген, снижая его активность. При сбоях, например в раке, метилирование нередко «глушит» гены-супрессоры опухолей — те, что обычно защищают клетки от неконтролируемого деления.
2. Модификация гистонов. ДНК в ядре клетки не валяется как попало, она намотана на специальные белковые катушки — гистоны. Если нить намотана слишком туго, считать информацию с гена невозможно (он выключен).
Однако эта структура не застывшая. Образ жизни может влиять на то, насколько туго сжаты эти катушки. Исследования показывают, что физическая активность и диета могут химически менять гистоны, «ослабляя» их хватку на отдельных участках ДНК.
Мышиный прорыв
Долгое время идея о том, что еда может менять работу генов, казалась фантастикой. Точку в спорах поставил классический эксперимент с мышами линии Агути, проведенный в начале 2000-х годов Рэнди Джиртлом и Робертом Уотерлендом. Речь идет о линии мышей с особенностью регуляции гена agouti, чувствительной к метилированию. Если ген активен, мыши рождаются с желтой шерстью, ненасытным аппетитом, страдают от ожирения, диабета и живут очень мало.
Ученые взяли беременных самок с «плохой» генетикой и просто изменили их диету. Им давали корм, богатый донорами метильных групп (веществами, способствующими метилированию) — фолиевую кислоту, витамин В12, холин и метионин. Результат шокировал научный мир. У тех же самых «генетически больных» матерей родились абсолютно здоровые мышата: коричневого цвета, без ожирения и диабета. Их «плохой» ген никуда не делся, но благодаря диете матери организм поставил на него химическую заглушку (метилировал его).
Пищевые факторы оказались способными нейтрализовать мутации в генах. Этот эксперимент доказал: окружающая среда и питание могут переписать сценарий жизни еще до рождения.
Трагедия, записанная в генах
Мы не мыши, но наши гены реагируют на среду точно так же. К сожалению, самые убедительные доказательства этому часто приносит война. И хотя отечественному читателю ближе и понятнее трагедия Ленинграда, именно события в Нидерландах зимой 1944–1945 годов стали для мировой генетики хрестоматийным примером — благодаря сохранившимся детальным медицинским архивам. Этот период вошел в историю как «Голодная зима». Рацион людей тогда упал до 400–800 калорий в некоторые периоды.
Спустя десятилетия ученые подняли документы и изучили детей, которые в те месяцы находились в утробе матерей. Выяснилось, что дефицит питательных веществ в критический момент развития оставил «шрамы» на их эпигеноме.
Эпидемиологические данные связывают внутриутробный голод с более высоким риском ожирения, диабета, сердечно-сосудистых заболеваний и некоторых психических нарушений в дальнейшей жизни, хотя точные механизмы этого влияния до конца не ясны.
Парадокс близнецов
Еще одно яркое доказательство дает наблюдение за однояйцевыми близнецами. При рождении их ДНК практически идентична, и их эпигенетические метки тоже почти не отличаются. Но с годами картина меняется.
Испанский ученый Манель Эстеллер провел масштабное исследование, сравнивая эпигеномы близнецов разного возраста. Оказалось, что у 3-летних детей эпигенетические карты совпадают, а вот у 50-летних близнецов они разительно отличаются. Чем более разным был их образ жизни, тем сильнее расходилась экспрессия их генов. К старости генетически идентичные люди могут иметь совершенно разный набор болезней — что согласуется с ролью среды и накопленных факторов образа жизни.
Биохимия нелюбви
Эпигенетика также объясняет, почему стресс и детские травмы буквально разрушают здоровье. В знаменитых опытах нейробиолога Майкла Мини на крысах было показано: если мать-крыса заботлива, часто вылизывает и согревает детенышей, у них меняется работа гена, отвечающего за рецепторы к гормонам стресса (глюкокортикоидам).
У таких крысят ген «открывается», рецепторов становится больше, и они эффективно гасят стрессовую реакцию. Вырастая, такие животные спокойны и смелы.
А крысята, которых матери игнорировали, получали эпигенетическую метку, блокирующую этот ген. В результате их мозг постоянно находился в состоянии тревоги, уровень кортизола зашкаливал, а когнитивные способности снижались.
У людей обнаружены схожие механизмы. Исследования образцов мозга людей, переживших тяжелое насилие в детстве, показали повышенное метилирование (блокировку) тех же самых генов, что и у «недолюбленных» крыс.
Часы Хорвата: можно ли повернуть время вспять?
Старение — это, по сути, накопление эпигенетических ошибок. С возрастом наши гены начинают работать вразнобой: нужные выключаются, вредные (например, воспалительные) активируются.
Профессор Стив Хорват из Калифорнийского университета создал уникальный инструмент — эпигенетические часы. Анализируя уровень метилирования в определенных участках ДНК, он научился определять биологический возраст человека с точностью до нескольких лет.
Иногда биологический возраст опережает паспортный: человеку 40, а его эпигеном выглядит на 55. Однако последние открытия показывают, что возраст можно «откатить». В эксперименте ученым удалось частично восстановить зрение старым мышам, перепрограммировав их клетки в более молодое состояние с помощью факторов Яманаки (особых белков).
Это открывает фантастические перспективы: возможно, в будущем мы сможем делать «сброс настроек» организма. Целый ряд заболеваний, включая такие хронические состояния, как болезни сердца и даже нейродегенеративные расстройства, как болезнь Альцгеймера, можно будет лечить, в значительной степени обращая вспять процесс старения, который их инициирует.
Пульт управления здоровьем
Мы не можем поменять последовательность нуклеотидов в ДНК, но в наших силах создать среду, в которой «хорошие» гены будут процветать.
Вот научно обоснованные способы повлиять на свой эпигеном:
1. «Меню для генома»
Некоторые продукты содержат вещества, необходимые для правильного метилирования и работы ферментов.
Зеленый чай: содержит вещества, которые могут активировать гены-супрессоры опухолей (то есть гены, подавляющие рак).
Брокколи и крестоцветные: богаты сульфорафаном. Он влияет на гистоны, помогая «распаковывать» гены, отвечающие за детоксикацию и защиту клеток.
Источники фолатов и B12: шпинат, спаржа, печень, яйца. Они — поставщики тех самых метильных групп, без которых невозможно выключить «плохие» гены.
2. Физическая активность как ключ
Включайте мышцы. Ученые из Каролинского института доказали, что ДНК меняется уже через несколько минут нагрузки. Метильные метки работают как замки, блокирующие гены, а спорт срывает их, открывая доступ к сжиганию жира и сахара. Любопытно, что кофеин способен имитировать этот сигнал в мышечных клетках, но биологи непреклонны: для реальной настройки здоровья пробежка надежнее чашки кофе.
3. Сон и циркадные ритмы
Около 10–15% наших генов работают циклично, подчиняясь суточным ритмам. Если вы хронически не высыпаетесь или работаете по ночам, этот ритм сбивается. Исследование, проведенное в Великобритании, показало: всего одна неделя недосыпа (менее 6 часов) приводит к сбою в экспрессии более 700 генов, связанных с иммунитетом, обменом веществ и реакцией на стресс.
4. Практики осознанности
Медитация влияет не только на психику. Исследование, проведенное в Висконсинском университете, показало, что после дня интенсивной практики медитации у опытных практикующих снижалась активность провоспалительных генов. Мозг посылает телу сигнал «все спокойно», и тело выключает режим обороны на молекулярном уровне.
Друзья, а мы продолжаем следить за развитием медицины и за открытиями ученых, подписывайтесь! Телеграм-канал, VC.ru, МАХ.
#медицинабудущего