Ликбез. Эпигенетика

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это самая длинная молекула в человеческом организме. В ней в виде «кода» заключена вся наша генетическая информация. Гены — это участки ДНК, каждый из них несет информацию об одной молекуле белка или РНК, определяющей, как организм будет расти и функционировать. То есть каждая клетка нашего организма содержит в своем ядре одинаковый набор генов, собранных в нить ДНК. Далеко не все гены человека активны — бóльшая часть из них заблокирована. Кроме того, в каждой конкретной клетке «работают» разные участки ДНК — те, которые нужны именно тут. Гены, несущие основную информацию о том, как должна быть устроена клетка, как ей следует функционировать, активны в течение всей жизни. Но вот работа некоторых других непостоянна и зависит от множества внешних факторов. И именно здесь начинается эпигенетика — наука, которая с 1960–1970-х изучает те механизмы изменения активности (экспрессии) генов, которые не затрагивают саму структуру ДНК.

Всем хорошо известно понятие наследственности — она бывает «отягощена» тем или иным заболеванием, с генами «не поспоришь» и т. д. Да, действительно, от родителей нам почти наверняка достанется их цвет кожи, волос, форма глаз и многое другое. Это же, к сожалению, относится и к редким генетическим заболеваниям, которые связаны с передаваемыми из поколения в поколение «дефектами» генома (синдром Марфана, целиакия, фенилкетонурия, гемофилия и др.). Но есть один нюанс: в большинстве случаев наследуется не сама болезнь, а предрасположенность к ней. Именно эпигенетика объясняет, каким образом факторы окружающей среды могут влиять на наш генотип, заставляя замолчать ненужные гены и активировать полезные, но «заснувшие».

Далеко не единственный, но самый изученный механизм изменения экспрессии генов — это метилирование ДНК. То есть присоединение к участку ДНК определенной группы атомов (метила), приводящее к снижению активности генов. Чем же понимание этого сложного процесса поможет человеку, не связанному с наукой?

Эпигенетика и беременность

То, что во время беременности нужно принимать фолиевую кислоту — известный факт. Но не все знают, что такие рекомендации связаны с одним из самых ярких экспериментов эпигенетики, доказывающим влияние материнского рациона на геном плода. В ходе исследования было показано, что активация специфического гена агути (он есть и у человека) у мышей сопровождается рождением нездорового потомства, отличающегося желтой окраской, ожирением, ранним развитием диабета и онкологических заболеваний. Происходит это на фоне сниженного метилирования гена агути. При добавлении в диету беременных мышей фолиевой кислоты, витамина В12, бетаина и холина (источников метильных групп) этот ген выключается, и мыши дают здоровое потомство, с нормальным весом и коричневым окрасом. Другими словами, присутствие в материнской диете определенных веществ выключает «вредные» гены, и развитие плода идет по правильному, здоровому пути. У людей при дефиците фолиевой кислоты в рационе беременных намного чаще встречаются пороки развития плода: расщелина позвоночника, анэнцефалия и т. д.

Эпигенетика и онкология

Сегодня стало совершенно очевидно, что в возникновении рака играют роль как генетические, так и эпигенетические факторы. В клетках нашего организма под влиянием канцерогенных веществ, УФ-лучей, некоторых вирусов и других неблагоприятных воздействий постоянно происходят генетические мутации, которые тут же распознаются и подавляются. Происходит это как за счет слаженной работы всех звеньев иммунитета, так и за счет наличия мощной противоопухолевой защиты на генном уровне. Нормальное развитие клеток обеспечивается благодаря устойчивому балансу между генами-«защитниками» (онкосупрессорами), контролирующими клеточный рост, и онкогенами, способными запустить процесс опухолевой трансформации (канцерогенеза). До сих пор не вполне ясно, зачем эволюция оставила нам онкогены, но роль некоторых из них все же известна. Например ген, отвечающий за синтез тромбоцитарного фактора роста, активируется, когда происходит нарушение целостности сосуда, чтобы поспособствовать остановке кровотечения. То есть обычно он неактивен, но нужен «про запас». Если он начнет работать при отсутствии кровотечения, то запустится избыточный клеточный рост и разовьется онкологическое заболевание. Но в нормальных условиях опасные онкогены выключены за счет метилирования (присоединения блокирующих метильных групп). Однако в наши дни мало кто может похвастаться полноценным рационом, богатым фолиевой кислотой и другими источниками полезных молекул. Кроме того, на человека постоянно воздействуют опасные вещества, способные нарушить присоединение к генам даже поступивших с пищей метильных групп. В итоге самым распространенным нарушением, приводящим к развитию рака, считается снижение общего метилирования генов. Это неминуемо ведет к активизации онкогенов и подавлению генов-онкосупрессоров, ферменты, препятствующие присоединению метильных групп, тоже начинают бурно работать. И ничем не ограничиваемые активные онкогены запускают массовый синтез (производство) белков и бесконтрольный рост клеток, что и лежит в основе канцерогенеза — развития онкологического заболевания.

Иными словами, вот что может запустить этот патологический процесс:

— Недостаток фолиевой кислоты, витамина B12 и других источников метильных групп в рационе ведет к снижению метилирования генома, и, следовательно, активации спящих, опасных генов.

— Многие вещества, некоторые природные и бытовые факторы способны не только вызвать мутации генов (воздействие на генетическом уровне), но и заблокировать активность генов-«защитников» (эпигеномный уровень). К ним относятся: асбест, бензол, поливинилхлорид (строительные и отделочные материалы), тяжелые металлы, а также алкоголь, табачный дым, солнечная радиация и многое другое. 

Некоторые изменения эпигенома задолго до их активного проявления можно выявить с помощью эпигенетических тестов.  Это дает возможность заранее узнать о предрасположенности к различным видам онкологических заболеваний. В этом направлении работают многие крупные компании, а в 2003 году стартовал международный проект под названием «Эпигеном человека» (Human Epigenome Project, HEP).

Благодаря пониманию того, как эпигенетические механизмы влияют на возникновение рака, можно не только улучшить диагностику, но делать терапию более индивидуальной. Сегодня известны уже несколько препаратов, одобренных Администрацией по контролю за продуктами питания и лекарствами США. Они применяются в основном в онкогематологии. Поиск других противоопухолевых лекарственных средств, действующих на эпигеномном уровне, конечно же, продолжается.

В перспективе эпигенетика поможет не только в лечении онкологических заболеваний. Сейчас активно ведутся исследования, ставящие своей целью доказать роль эпигенетических факторов в развитии диабета, аутизма, наркозависимости, депрессии, шизофрении и т. д. Но любые инновации в лечении и диагностике должны пройти сложную и длительную проверку на надежность, эффективность и безопасность. Без этого даже самые многообещающие открытия не могут быть внедрены в повседневную практику. По этим причинам сегодня нельзя купить чудодейственную пилюлю, восстанавливающую баланс генов, или составить индивидуальный рацион по капле крови, исходя из особенностей эпигенома. Хотя вполне возможно, что через годы или десятилетия все это станет реальностью. 

Пока эпигенетика — это еще не революция в медицине, но она помогает понять, что под банальными фразами «здоровый образ жизни», «ешьте больше овощей» скрываются тонкие биохимические механизмы.

Эпигенетика и правильная еда

Наш геном защищает не только фолиевая кислота. Очень полезен входящий в состав зеленого чая флавонид (эпигаллокатехин-3-галлат, EGCG), который воздействует на активность фермента, участвующего в метилировании ДНК. Многие растительные вещества, обладающие противораковыми свойствами, воздействуют на другие, не описанные здесь эпигенетические механизмы (например ацетилирование и фосфорилирование гистонов, ремодуляцию хроматина). К таким соединениям относятся: сульфорафан, которым богаты овощи семейства крестоцветных (брокколи, белокочанная и цветная капуста), эллаговая кислота ягод (малины, черники, клюквы), омега-3 жирные кислоты, источниками которых могут стать продукты как растительного (семена льна, грецкие орехи, рапсовое масло), так и животного происхождения. Куркумин, сернистые компоненты чеснока и лука, помимо своего прямого благоприятного воздействия на эпигеном, препятствуют влиянию канцерогенов на наш геном (например нитрозаминов, содержащихся в консервированных продуктах и табаке).

Однако с энтузиазмом глотать горстями все рекламируемые витаминные добавки не стоит. Обеспечить себе передозировку не так сложно. Поэтому необходимо просто следить за тем, чтобы полезные вещества постоянно поступали в организм в достаточном количестве и при этом стараться оградить себя от агрессивного воздействия стрессов, канцерогенов и других неблагоприятных факторов.