Изгледи – Наука

1 1 1 1 1 Оценка 90% (2 гласувания)

 

2019 02 Epigenetics

Деца в Амстердам по време на холандската зима на глада, 1944–1945
Фотография: Cas Oorthuys / Nederlands Fotomuseum

В края на осемнадесети век френският натуралист Жан-Батист Ламарк отбелязва, че животът на Земята се е развивал в продължение на дълги периоди от време и е достигнал поразително разнообразие от организми. Той се опитва да обясни как организмите са ставали все по-сложни в хода на развитието си. Живите организми не само са се развивали, твърди Ламарк; те са го правили много бавно, „малко по малко, последователно“. В теорията на Ламарк организмите са станали по-разнообразни, тъй като всяко същество се е стремяло към собственото си „съвършенство“ – оттук и огромното разнообразие от живи същества на земята. Човекът е най-сложната форма на живот, следователно най-съвършената и дори сега продължаваща да се развива.

Според Ламарк еволюцията на живота зависи от вариациите и натрупването на малки, постепенни промени. Те стоят също и в центъра на еволюционната теория на Дарвин, но самият Дарвин пише, че идеите на Ламарк са „пълен боклук“. Дарвиновата еволюция се задвижва от генетични вариации в съчетание с естествен подбор – един процес, при който в определени моменти някои вариации дават на носителите си по-висок репродуктивен успех в дадена околната среда, отколкото го имат другите организми.[1] Ламаркистката еволюция, напротив, зависи от наследяването на придобити характеристики. Жирафите например са получили дългите си вратове, тъй като са ги протягали, за да ядат листата на високи дървета, а тези „разпънати вратове“ са били наследени от потомството им, макар че Ламарк не обяснява как всичко това е възможно.

Когато през 1953 е открита молекулната структура на ДНК, в преподаването на биологията се оформя догмата, че ДНК и нейната кодирана информация не могат да се променят по никакъв начин от средата или начина на живот на човека. Известно е, че средата може да стимулира експресията на даден ген[2]. Например: просветването на ярка светлина в очите или изпитването на болка стимулира активността на невроните и по този начин променя активността на гените, които тези неврони съдържат, произвеждайки инструкции за производство на протеини или други молекули, които играят централна роля в нашите тела.

Структурата на ДНК, съседна на гена, предоставя списък с инструкции – една генна програма, която определя при какви точно обстоятелства генът се изразява. До много скоро се смяташе, че тези инструкции не могат да бъдат променени от околната среда. Само определени мутации, тоест случайно въведени грешки, могат да променят инструкциите или информацията, кодирана в самия ген, и да задвижват еволюцията чрез естествения подбор. Учените дискредитираха всички ламаркистки твърдения, че околната среда може да осъществи трайни, може би наследствени промени в генната структура или функция.

Но напоследък се появиха нови идеи, тясно свързани с възгледите на Ламарк, които [най-неочаквано] станаха централни за нашето разбиране на генетиката. През последните петнадесет години тези идеи – които принадлежат към една бързо развиваща се научна област, наречена епигенетика – са обсъждани в множество статии и няколко книги, сред тях проучването Епигенетичната революция на Неса Кери от 2012[3], както и Най-дълбокият кладенец, скорошна работа по въпроса за [психическите] травми от детството, от лекарката Надин Бърк Харис.[4] 

Все по-увеличаващата се литература около въпросите на епигенетиката принуди биолозите да започнат да обмислят хипотезата, че генната експресия може да бъде повлиявана и от някои унаследими фактори на околната среда, за които досега се смяташе, че нямат ефект върху нея, като например стрес или различни видове лишения. „Структурата на ДНК“, пише Кари,

не е достатъчно обяснение за всички понякога прекрасни, понякога ужасни, сложности на живота. Ако от значение би била единствено ДНК-последователността, то еднояйчните близнаци биха били винаги абсолютно идентични, по всеки възможен начин. Бебетата, родени от недохранени майки, биха натрупвали тегло също толкова лесно, колкото и бебетата, които са имали по-здравословен старт в живота.

Това може и да изглежда като сравнително банално мнение. Но [колкото и странно звучи], то противоречи на цели десетилетия на утвърдени научни догми относно независимостта на генетичната програма от влиянието на околната среда. Кои точно открития са направили възможно оборването им?

През 1975 г. двама английски биолози, Робин Холидей и Джон Пю, както и американският им колега Артър Ригс, предлагат, независимо едни от други,  хипотезата, че метилирането [метилацията], тоест една химическа модификация на ДНК, която е наследствена и може да бъде предизвикана от влияния на околната среда, има важна роля при контролирането на генната експресия. По онова време още не е ясно как точно става това, но идеята, че чрез процеса на метилиране околната среда всъщност може да промени не само генното изразяване, но и генетичната програма, бързо се утвърждава сред научната общност.

Докато учените започват да разбират все по-добре функцията на метилиране при промяната на генната експресия, те осъзнават, че екстремният екологичен стрес – резултатите от който по-рано са изглеждали подразбиращи се от само себе си – може да има допълнителни биологични ефекти върху организмите, които са го преживели. Експериментите с лабораторни животни започват да показват, че тези резултати се основават на предаването на придобитите промени в генетичната функция. Оказва се, че злоупотребите с деца, психологическите травми, гладът и етническите предразсъдъци могат да имат дългосрочни последици за функционирането на нашите гени.

Тези ефекти произтичат от един разпознат едва наскоро генетичен механизъм, наречен епигенеза, който позволява на околната среда да прави дълготрайни промени в начина на експресиране [изтразяване] на гените. Епигенезата не променя информацията, кодирана в гените или генетичната структура на човека – самите гени не са засегнати – а вместо това променя начина, по който те се „четат“, като блокира достъпа до определени гени и предотвратява тяхното изразяване. Този механизъм може да бъде скритата причина за нашите усещания за депресия, тревожност или параноя. Най-изненадващо от всичко е може би, че тази промяна може в някои случаи да бъде предадена и на бъдещите поколения, които никога не са преживявали директно напрежението, което е довело до депресия или лошо здраве при техните предшественици.

Многобройни клинични проучвания показват, че детските психически травми, произтичащи от родителска смърт или развод, пренебрегване, насилие, злоупотреба, липса на храна или подслон, както и други стресови обстоятелства, могат да доведат до различни здравни проблеми при вече възрастните хора: сърдечни заболявания, рак, хранителни и психически увреждания, злоупотреба с алкохол и наркотици, безплодие, самоубийствено поведение, дефицити в способността за учене или нарушения на съня. След публикуването през 2003 на влиятелна статия от Рудолф Йениш и Ейдриан Бърд[5], ние вече започнахме да разбираме генетичните механизми, които обясняват защо това е така. Тялото и мозъкът обикновено реагират на опасности и различни плашещи преживявания чрез освобождаване на един определен хормон – глюкокортикоид [glucocorticoid] – който контролира стреса. Този хормон ни подготвя за различни предизвикателства чрез регулиране на сърдечната честота, производството на енергия и мозъчните функции; той се свързва с един протеин, наречен „рецептор за глюкокортикоид“, който се намира в нервните клетки на мозъка.

Обикновено това свързване изключва по-нататъшното производство на глюкокортикоиди, така че когато човек вече не възприема опасността, реакцията на стрес намалява. Но, както отбелязват Густаво Турецки и Майкъл Мейни в една статия от 2016, изследваща най-новите открития в областта на епигенетиката в хода на повече от едно десетилетие[6], генът за този рецептор е неактивен при хора, които са преживели детски стрес; в резултат на това те произвеждат само малко такива рецептори. Без наличие на рецептори, с които да се свържат, глюкокортикоидите не могат да прекратят собственото си производство, така че хормонът продължава да се освобождава и стресовата реакция продължава дори и след като заплахата е утихнала. „[Научният] термин за това е прекъсване на възпирането, свързано с обратна информация“ – пише Харис. Налице е ситуация, при която сякаш „един определен стресов термостат на тялото е счупен. Вместо да изключи допълнителното доставяне на ‚топлина‘, когато се достигне до определена температура, тялото продължава да помпи кортизол в системата ви.“

Сега вече е известно, че стресът в детството може да деактивира рецепторния ген чрез един епигенетичен механизъм, а именно чрез създаване на физическа бариера пред информацията, за която генът кодира. Нещото, което създава тази бариера, е метилирането на ДНК, чрез което към ДНК се добавят метилови групи, познати под названието метилови маркери (съставени от един въглероден и три водородни атома). ДНК-метилирането е дълготрайно и то запазва хроматина – онзи комплекс от ДНК- протеини, които съставляват хромозомите, съдържащи гените – в една силно нагъната структура, която блокира достъпа до определени гени чрез механизма за експресия [изразяване] на гените (по същество той „изключва“ тези гени). Дългосрочните последствия от всичко това са хронични възпаления, диабет, сърдечни заболявания, затлъстяване, шизофрения и силни депресивни разстройства.

Такива епигенетични ефекти са демонстрирани многократно в експерименти с лабораторни животни. В един типичен експеримент, [новородени] плъхове или мишки са подложени на ранен стрес, като например многократно отделяне от майката. По-късно поведението им като вече възрастни животни се изследва, за да се търсят доказателства за наличието на депресия, а геномите им се анализират за наличие епигенетични модификации. По същия начин, бременни плъхове или мишки могат да бъдат изложени на стрес или хранителни лишения, а тяхното потомство да бъде изследвано за поведенчески и епигенетични последствия.

Експерименти като тези показват, че дори животни, които не са пряко изложени на травматични обстоятелства – такива, които все още са се намирали в утробата, когато родителите им са били поставени под стрес – могат да имат блокирани рецепторни гени. Вероятно предаването на глюкокортикоиди от майката към плода се извършва през плацентата, като по този начин той се променя. При хората пренаталният стрес оказва влияние върху всеки етап от зреенето на детето: за плода това означава по-голям риск от преждевременно раждане, намалено тегло при раждане или спонтанен аборт; в най-ранната детска възраст последствията са проблеми с темперамента, способността за съсредоточаване и умственото развитие; в по-късната детска възраст те се изразяват  в хиперактивност и емоционални проблеми; в зряла възраст това вече са болести като шизофрения и депресия.

Каква е значимостта на тези открития? До средата на 1970-те години никой не подозираше, че начинът, по който ДНК бива „прочетена“, може да бъде променян от фактори на околната среда, или че нервните системи на хора, които са израснали в среда без стрес, ще се развиват по-различно от онези на хората, които са израснали в стрес. Смяташе се, че развитието на човека се ръководи единствено от генетичния му състав. [Но днес вече], в резултат на епигенетическите открития, е известно, че дете, лишено от храна, може да продължи да жадува и да консумира големи количества храна като възрастен, дори когато той или тя се храни правилно, което пък води до затлъстяване и диабет. Дете, което е загубило родител, с което е злоупотребявано или пък е било пренебрегвано, може да има генетични основания за преживяване на тревожност и депресия, и евентуално шизофрения. По-рано се смяташе, че дарвиновите еволюционни механизми – вариациите и естественият подбор – са единствените средство за въвеждане на такива дълготрайни промени в мозъчните функции, и че това е процес, който се осъществява в хода на множество поколения. Днес вече е известно, че епигенетичните механизми могат да вършат същото в хода на живота на отделната личност.

Вече е добре установено, че хората, които са страдали от директни психологически травми по време на детството или са изпитвали травмите на майките си индиректно, като зародиши, могат да получат епигенетични заболявания, вече като възрастни. По-спорно е дали епигенетичните промени могат да бъдат предадени от родител на дете. Метиловите маркери са стабилни, когато ДНК не се репликира [възпроизвежда], но когато го прави, те трябва да бъдат отново въведени в наново възпроизведените ДНК-нишки [спирали], които пък трябва да бъдат запазени в новите клетки. Изследователите са съгласни, че това действително се случва, когато клетките на тялото просто се делят – един процес, наречен митоза, – но все още не е напълно установено, при кои точно обстоятелства те се запазват и когато клетъчното делене води до създаване на сперма и яйцеклетка – процес, наречен мейоза – или когато в хода на митотичното разделение на оплодената яйцеклетка се стига до появата на ембрион. Предаването на [съответните маркери] в хода на тези две последни стъпки би било необходимо, за да могат епигенетичните промени да се предават изцяло през поколенията.

Най-очевидните примери за изследвания на предаването на [такъв род информация между] поколенията са неща като природни бедствия, глад и жестокости на войната, по време на които големи групи хора са претърпели тежки травми по едно и също време. Тези проучвания показват, че когато жените са изложени на стрес в ранните стадии на бременността, те раждат деца, чиито системи за реакция срещу стрес са неизправни. Едно от най-изучаваните такива травматични събития е т. нар. „Холандска зима на глада“. През 1944 г. германците правят невъзможно доставянето на каквато и да е храна в окупираните части на Холандия. Холандците са били принудени да ядат луковици от лалета и други подобни „храни“, за да оцелеят. Жените, които са били бременни през този период, както отбелязва Кери, са раждали по-голям брой затлъстели и шизофренични деца, отколкото обикновено се случва. Освен това тези деца са демонстрирали епигентични промени, които не са наблюдавани при други деца в същите семейства, като например братя или сестри, които не са преживели глад в пренаталната фаза.

По време на Големия китайски глад (1958–1961) милиони хора умират, а децата, родени от млади жени, които са преживели глада, са били по-склонни към шизофрения, нарушени когнитивни функции, диабет и хипертония като възрастни. Подобни изследвания на украинския глад през 1932–1933 г., в който са загинали много милиони, разкриват повишен риск от диабет тип II при хора, които по това време са били в пренаталния стадий на развитие. Въпреки че вече е достатъчно ясно, че пренаталният и ранен детски стрес предизвикват епигенетични ефекти и заболявания при възрастните, не е известно дали механизмът е един и същ и в двата случая.

Дали епигенетичните ефекти на стреса могат да се предават през поколенията е въпрос, което се нуждае от повече изследвания, за да бъде изяснен в достатъчна степен – както при хора, така и при лабораторни животни. Но последните подробни проучвания на няколко групи, използващи напреднали генетични техники, показват, че епигенетичните модификации не са ограничени до глюкокортикоидния рецепторен ген. Те са много по-обширни, отколкото се предполагаше досега и последствията им за развитието, здравето и поведението ни също могат да бъдат големи.

Нещата изглеждат така, сякаш природата използва епигенезата, за да прави дълготрайни промени в генетичната програма на индивида, които отговарят на неговите или нейните лични обстоятелства, подобно на идеята на Ламарк за „стремеж към съвършенство“. Според това гледище, лошото здраве, произлизащо от глад или други форми на хроничен, екстремен стрес, би представлявало епигенетично обусловена неправилна преценка от страна на нервната система. Тъй като мозъкът ни подготвя за бедствия в зряла възраст, които да съответстват на нивото на стрес, което сме преживели в ранните фази от живота си, то психическите заболявания и лошото здраве продължават дори когато се намираме в среда с по-ниско ниво на стрес.

След като веднъж сме осъзнали, че за заболяванията, причинени от глад, икономическа лишения, травми, свързани с войната, и други форми на стрес, има епигенетични основания, то става възможно някои от тях да се лекуват, като се „преобърнат“ епигенетичните промени. „Когато разберем, че източникът на толкова много проблеми в нашето общество е преживяването на определени злополучия в детството“, пише Харис,

решенията изглеждат много просто: всичко, което е необходимо, е да се намалят нивата на стрес за децата и да се повиши способността на детегледач(к)ите да бъдат буфери [между децата и заплахите, идещи от околната среда]. Оттам нататък продължаваме да вървим напред, като превръщаме това разбиране в неща като по-ефективни образователни програми и разработване на кръвни тестове, които да идентифицират биомаркерите за токсичен стрес – неща, които ще доведат до широк спектър от решения и иновации, и ще намаляват вредите – отначало малко по малко, а след това и с по-големи скокове.

Епигенетиката показва ясно, че стресът, причиняван от неща като войни, предразсъдъци, бедност и други форми на злополучия, преживявани в детството, може да има последици както за засегнатите лица, така и за техните бъдещи – неродени – деца, не само по социални и икономически, но и по биологически причини.


Източник

 

[1] Вижте нашето есе „Развитието на еволюцията“ New York Review of Books, 11 май, 2006. (Бел. авт.)

[2] Като „генна експресия“ [генно изразяване] се обозначава процесът, при който унаследяемата информация от един ген, напр. дадена ДНК секвенция, се трансформира във функционален генетичен продукт като белтъчина или РНК. С други думи, информацията, която се съдържа в гена, може да бъде „реализирана“ по различни начини, в зависимост от различни обстоятелства. (Бел. пр.)

[3] Епигенетичната революция: Как съвременната биология пренаписва нашето разбиране за генетиката, болестите и наследяването (Columbia University Press, 2012).

[4] Най-дълбокият кладенец: Изцеление на дългосрочните ефекти от психологическите травми от детството (Houghton Mifflin Harcourt, 2018).

[5] Rudolf Jaenisch, Adrian Bird: Epigenetic regulation of gene expression: how the genome integrates intrinsic and environmental signals [Епигенетична регулация на генната експресия: как геномът интегрира вътрешни и екологични сигнали], Nature Genetics, Vol. 33 (01 March 2003), pp. 245-254. (Бел. пр.)

[6] Gustavo Turecki, Michael Meaney: Effects of the social environment and stress on glucocorticoid receptor gene methylation: a systematic review [Въздействия на социалната среда и стреса върху генното метилиране на глюкокортикоидния рецептор: един систематичен преглед], Biol Psychiatry. 2016 Jan 15; 79(2): pp. 87–96. (Бел. пр.)

 

Израел Розенфийлд

Израел Розенфийлд е американски журналист и автор. Последната му книга, DNA: A Graphic Guide to the Molecule That Shook the World, е написана в съавторство с Едуард Зиф, който е съавтор и на настоящата статия.

support

Посетители: 64

Последните най...


Библиотека

Бюлетин абонамент

Безплатен ежеседмичен


catchme refresh

Joomla Extensions powered by Joobi

Коментари

  • Георги Гочев писа Още
    По отношението им към... преди 11 часа
  • Златко писа Още
    Чета и сам си се дивя:... преди 3 дни
  • Божидар писа Още
    Златко писа:
    Без да съм...
    преди 3 дни
  • Златко писа Още
    Ами то вярно започва... преди 3 дни
  • Петров писа Още
    Златко прави един... преди 3 дни
  • Златко писа Още
    Без да съм... преди 4 дни
  • Божидар писа Още
    Златко писа:
    ЦЯЛАТА...
    преди 4 дни
  • Петров писа Още
    Златко умее да намери... преди 4 дни
  • Ангел Николов, истор... писа Още
    И какво му е... преди 5 дни
  • Златко писа Още
    Трябва да призная, че... преди 5 дни
  • Горски пътник писа Още
    П.С.
    А какво щеше да... преди 5 дни
  • Горски пътник писа Още
    Много емоции - малко... преди 5 дни
  • Психолог писа Още
    "Браво, браво,... преди 6 дни
  • Петров писа Още
    В продължение на... преди 6 дни
  • Петров писа Още
    Малко допълнение към... преди 1 седмица
  • Възражение! писа Още
    Наистина,Господин... преди 2 седмици
  • Николай Колев писа Още
    Имам чувството, че... преди 2 седмици
  • Петров писа Още
    Калин Ангелов е прав. ... преди 2 седмици
  • Калин Ангелов писа Още
    Докато няма научни... преди 2 седмици
  • Златко писа Още
    Благодаря, научих... преди 2 седмици
  • Златко писа Още
    Бай Броди, ако не те... преди 2 седмици
  • Палмзонтаг писа Още
    "Палмова неделя" на... преди 2 седмици
  • Броди писа Още
                         ... преди 2 седмици
  • Петров писа Още
    Към широкото и... преди 2 седмици
  • Златко писа Още
    За съжаление подобни... преди 2 седмици