ваш консультант

Рыбинская Мария
менеджер отдела продаж
тел. (391) 211-27-96
e-mail: kk_kupol@mail.ru

Косметическая корпорация "КУПОЛ"

660017, г. Красноярск,
пр. Мира, 79А
тел.: (391) 2-112-796, 2-279-439
E-mail: info@ku-pol.ru

Эпигенетика — будущее медицины, фармакологии, косметологии. Часть I

Часть I. Общее понятие об эпигенетической регуляции

А.И. Деев, кандидат биологических наук, доцент кафедры общей и медицинской биофизики РНИМУ им. Н.И. Пирогова (Москва), председатель Московского отделения геронтологического общества

Е.А. Чайковская, кандидат фармацевтических наук, редактор ИД «Косметика и медицина» (Москва)

Если прошлый век был веком генетики (расшифрован геном),
то наше столетие — время эпигенетики.
Б. Ванюшин

Двадцатый век справедливо называют веком генетики: в 1953 г. Джеймс Уот сон и Фрэнсис Крик представили миру двуспиральную модель ДНК — носителя генетического кода; в июне 2000 г. Крейг Вентер (руководитель частной корпорации Celera Genomic) и Фрэнсис Коллин (руководитель проекта «Геном человека» в Национальном институте здравоохранения США) объявили о событии, названном ими «первой сборкой генома человека». По существу, это был черновой вариант реконструкции практически полного генома человека (рис. 1). Казалось, что «книга жизни» прочитана, и в недалеком будущем удастся победить такие тяжелые заболевания, как рак, диабет, паркинсонизм, болезнь Альцгеймера. А значит, и продлить жизнь человека, причем здорового, энергичного, активного! «Изучение функций генов станет задачей века», — полагал Вольфганг Хартвиг, руководитель исследовательских проектов компании Байер, которая планировала уже в 2004 г. представить 20 принципиально новых лекарственных препаратов [1]. Однако фармацевтический бум до сих пор не разразился.

Современные эксперты относительно возможностей и перспектив генетики в медицине и фармакологии высказываются все более осторожно, ведь целый ряд фактов невозможно объяснить с точки зрения классической генетики.

Например, почему гомозиготные (однояйцовые) близнецы, особенно проживающие далеко друг от друга, со временем, сохраняя схожесть, обусловленную наличием абсолютно одинакового набора генов, начинают все больше отличаться друг от друга? Вот несколько примеров из датского исследования близнецов [1]: Лизи Йэгер и Кэтэ Бурлунд, 81 год. Обе вышли замуж и с тех пор жили отдельно, встречаясь достаточно редко. Они очень похожи друг на друга внешностью, мимикой, жестами, манерой одеваться. Кэтэ страдает от диабета, а Лизи — нет. Анна Мария и Клотильда Родригес, на момент исследования обеим было по 70 лет. Они удивительно похожи друг на друга, и окружающие их по-прежнему путают. Анна Мария считает Клотильду гораздо более общительной, но самое большое отличие касается состояния здоровья: у Анны Марии рак молочной железы, у Клотильды — нет.

Другие вопросы: как объяснить фенотипическое и функциональное разнообразие дифференцированных клеток многоклеточного организма, имеющих одинаковый геном? А также удивительные метаморфозы насекомого: превращение гусеницы в куколку и бабочку? Почему человек так разительно отличается от шимпанзе, хотя 98,5% генов у них совпадают? Почему разные люди отличаются друг от друга при несовпадении только 0,1% генома? Как объяснить возможность профилактики некоторых пороков развития ребенка простым изменением рациона питания женщины во время беременности? По признанию Крейга Вентера: «Испытываешь чувство неловкости, вспоминая, какими наивными были наши гипотезы о принципах функционирования генов».

Сегодня мы говорим об огромной значимости не только наследственной информации, заложенной в геноме, но и о наличии архиважной системы регуляции активности генов — эпигенома.

Эпигеном — это совокупность всех эпигенетических маркеров, определяющих стабильную экспрессию (работу) генов в клетке. И если оперативные механизмы, количественно изменяющие экспрессию генов в ответ на разные внутренние (гормоны, цитокины, лекарства и т.п.) и внешние (температура, освещение и т.п.) стимулы, обеспечивают кратковременный и обратимый результат, то эпигенетические эффекты действуют длительно, уже после исчезновения первопричины. В принципе эпигенетические изменения сохраняются в течение всей жизни клетки и передаются дочерним клеткам при делениях. Таким образом, эпигеном формирует стабильные свойства клетки, определяющие ее идентичность. Если уточнять роль эпигенетических механизмов в формировании адаптации к изменяющимся условиям среды, можно сказать, что эпигенетика отвечает за долгосрочную адаптацию к условиям, имеющим тенденцию действовать длительно или многократно (изо дня в день). Например, эпигеном новорожденного зависит от образа жизни матери в период кормления, но не от ее единичных поступков в этот период: систематическое курение почти наверняка скажется на эпигеноме ребенка, а одна случайно выкуренная сигарета вряд ли.

Процессы включения/отключения генов (эпигенетическую регуляцию) обеспечивают три биологических механизма:

  • метилирование ДНК;
  • химическая модификация гистонов — белков в составе хромосом;
  • образование регуляторных некодирующих микро-РНК. Есть также другие регуляторные РНК, относящиеся к эпигенетическим, например длинные некодирующие РНК, отвечающие за формирование неактивной структуры хроматина: с их помощью происходит инактивация одной из X-хромосом.

При участии фермента ДНК-метилтрансферазы метильные группы S-аденозил- L-метионина (для его синтеза нужны соединения — доноры метильных групп, которыми могут быть и пищевые нутриенты) прикрепляются к одной из «букв» генетического «текста» — цитозину. Метилирование цитозина промоторной части гена приводит к репрессии транскрипции (ген «отключен»). Существуют и противоположные эффекты, хотя и немногочисленные: метилирование структурной части генов нередко способствует их активной транскрипции, особенно в случае очень длинных генов.

Чем больше генов отключено, тем меньше у клетки возможностей для «маневров». После оплодотворения яйцеклетки происходит ее тотальное деметилирование, которое быстро сменяется активным метилированием de novo. В ходе дальнейшего развития и клеточной дифференцировки происходит метилирование одних генов и деметилирование других. Деметилирование тканеспецифических генов часто происходит «заранее» в прогениторных клетках. Например, гены, специфически активные в клетках хрящевой ткани, костной, в адипоцитах и т.д., деметилированы уже на уровне мезодермальных стволовых клеток.

Следующий эпигенетический механизм связан с трансформацией ядерных белков. В клеточном ядре молекулы ДНК (у человека их совокупная длина составляет около 2 м) определенным образом упакованы: намотаны в 2 оборота (как нитки на катушку) на белковые структуры — гистоны. В состав каждого гистона входит 8 глобулярных белков одного из 4 типов, и эти белки имеют достаточно длинные свободные «хвосты». Отдельные комплексы гистонов с ДНК (нуклеосомы) связаны друг с другом межнуклеосомными участками ДНК, образуя «бусы», скручивающиеся в спираль, формируя компактную фибриллу — ядерный хроматин, который «укладывается» в хромосомы (рис. 2). Такая сложная структура с одной стороны обеспечивает максимальную компактность носителя наследственной информации, а с другой стороны — высокую доступность генов для считывания информации и последующей трансляции — синтеза белков.



При определенных условиях к функциональным группам «хвостов» гистонов могут присоединяться метильные, ацетильные группы, остаток фосфорной кислоты, убиквитин и другие соединения (рис. 3). Так происходит модификация гистонов, в результате которой ДНК или плотнее прилегает к гистоновым белкам, и тогда считывание информации затруднено, ген оказывается «выключен», или же, напротив, отодвигается от белка, и тогда ген «открыт» и активен, информация считывается и белок синтезируется.

В процессе биосинтеза белка, а, следовательно, и реализации наследственной информации, громадную роль играют молекулы информационных (матричных) и транспортных РНК. В последние годы активно изучаются микро-РНК, которым долгое время не придавали большого значения, полагая, что они образуются при считывании «мусорных» участков ДНК. Сегодня речь идет о том, что микро-РНК представляют собой третий механизм эпигенетической регуляции [1, 2]. После того как в ядре происходит синтез двух комплементарных нитей микро-РНК, они объединяются в двухцепочечную структуру, напоминающую РНК вирусов. И с этой структурой клетка борется, так же как и с вирусной РНК: разбивает на короткие фрагменты, большинство из которых уничтожаются. Оставшиеся соединяются с особым белком (AGO), который делает их неуязвимыми. При встрече с матричной РНК, в составе которой находится участок («считанный» ген) с идентичной последовательностью нуклеотидов, белковый комплекс с микро-РНК «приклеивается» к ней, а далее белок AGO ее разрушает. Что получается: информация с гена считывается, а соответствующий белок не синтезируется, т.е. по факту «открытый» ген оказывается «закрыт». Этот механизм генной регуляции лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине Крейг Мелло и Эндрю Файер назвали РНК-интерференцией, по аналогии с тем, как в физике ослабляют друг друга встречные волны. Важно отметить, что степень «закрытия» гена может регулироваться количеством образующихся микро-РНК, т.е. это механизм очень тонкой регуляторной настройки. Микро-РНК могут и непосредственно подавлять транскрипцию (синтез РНК) гомологичного им по нуклеотидной последовательности гена.

Включая и выключая гены, эпигеном оказывается столь же значимым для судьбы каждой клетки и многоклеточного организма в целом, как и геном. Недаром эпигеном называют «вторым кодом жизни». Метилирование и деметилирование ДНК, химическая модификация гистонов, РНК-интерференция — все эти процессы скрыты от глаз. На виду же, например, превращение неуклюжей медлительной гусеницы в невзрачную куколку и чудесную бабочку (рис. 4). На каждом этапе этих метаморфоз из одного и того же набора включаются строго определенные гены. Жизненный цикл бабочки — настоящее чудо эпигенетической регуляции!

Закономерен вопрос: какие факторы могут быть пусковыми для перепрограммирования работы генетического аппарата, включения тех или иных элементов эпигенома? Как это ни странно на первый взгляд, некоторые из них могут показаться совсем незначительными. Наглядный тому пример — развитие медоносных пчел [1]. Из отложенных пчелиной маткой яиц вылупляются абсолютно одинаковые личинки, которых пчелы-няньки в течение 3 дней кормят маточным молочком (секретом их верхнечелюстных желез). Затем большинство личинок переводят на более скромный корм — пыльцу и нектар. Из них впоследствии формируются рабочие пчелы, которые будут охранять и строить пчелиный «дом», добывать пропитание и кормить потомство. И лишь некоторых личинок продолжают кормить маточным молочком: после окукливания именно из них сформируются матки, которые дадут начало новому рою. Важной чертой пчелиной судьбы является еще и продолжительность жизни: рабочие пчелы живут около 6 нед, матка — около 6 лет. В состав маточного молочка входят белки, аминокислоты, витамины группы В, минералы. Пока неизвестно, какой именно компонент этой уникальной смеси отвечает за «царственное» превращение личинок. Однако установлено, что в клеточных ядрах маток к ДНК прикреплено значительно меньше метильных групп, чем у рабочих пчел, следовательно, большее число генов доступно для считывания, и у организма появляются дополнительные возможности для трансформации по особому пути. Эта гипотеза была подтверждена австралийскими исследователями Робертом Кухарски и Ричардом Малешкой [1], которые кормили личинок пчел пыльцой и нектаром, однако ингибировали у них фермент, ответственный за метилирование ДНК — ДНК-метилтранферазу. Более двух третей особей превратились в маток без особого питания пчелиным молочком. Значение этого исследования сложно переоценить: в нем убедительно показано, как с помощью питания на эпигенетическом уровне можно перепрограммировать геном.

А вот судьба особей пустынной саранчи зависит от другого фактора — плотности популяции: если традиционно живущие в одиночку особи начинают активно размножаться, то резко повышается плотность заселения ограниченной территории. Буквально толкаясь друг с другом, насекомые не только меняют цвет панциря с зеленого на черно-коричневый, но и приобретают навыки стадного существования (рис. 5). Колонии саранчи способны уничтожить на своем пути всю растительность, возможно поэтому в Библии их назвали «воинством сатаны». Установлено, что при столкновениях друг с другом у насекомых экспрессируется ген, отвечающий за синтез серотонина, этот нейромедиатор начинает активно синтезироваться и секретироваться [1]. Серотонин недаром называют «гормоном счастья»: «счастливые» особи не желают расставаться друг с другом, получая все новые и новые порции гормона, и формируют колонию, которая становится для окружающей среды настоящим бедствием.

Целенаправленной модуляцией эпигенома с помощью рациона питания и модификации условий существования активно занимаются в научных лабораториях. В известном эксперименте, проведенном в Университете Дьюка (США), группе Роберта Уотерлэнда удалось радикально изменить фенотип мышей, носителей мутантного гена агути [3, 4]. Такие мыши имеют характерную золотистую окраску, однако не являются долгожителями, так как склонны к ожирению, диабету и раку (рис. 6). Добавляя в пищу самкам-агути за две недели до спаривания и во время беременности вещества-доноры метильных групп (витамин B12, фолиевую кислоту, бетаин и холин), ученые обнаружили, что на свет появляются мышата с обычным бурым цветом шерсти. На протяжении всей жизни они обладают нормальным весом и среднестатистическим риском развития диабета и рака. Объяснить такую поразительную реверсию к нормальному мышиному фенотипу можно только тем, что изменение материнского рациона на уровне эпигенетической регуляции (метилирования ДНК) выключило дефектный ген, несмотря на то, что ни одна «буква» в генетическом коде не была изменена. Скорее всего, ген агути — не единственный, который можно выключать в период эмбрионального развития. Обогащение питания беременных женщин фолатами обеспечивает профилактику у детей таких тяжелых пороков развития, как расщепление позвоночника (spina bifi da) и волчья пасть. Эпигенетики выяснили, что фолиевая кислота (донор метильной группы) за счет метилирования ДНК способствует эпигенетическому выключению измененного участка генома так же, как это происходит у мышей с геном агути.

Сегодня к факторам, определяющим эпигенетические изменения в клетках человека, кроме состава рациона (и его объема) относят физическую активность, психоэмоциональный фон, уровень оксидативного стресса. Все эти факторы являются не менее судьбоносными, чем генетический «портрет».

Например, сильный и длительный стресс, испытанный женщиной в последний триместр беременности, может привести к преждевременным родам и рождению ребенка (если это девочка) с повышенным риском развития фибромиалгии [1]. И связано это с внутриутробным перепрограммированием эпигенома под действием гормона стресса — кортизола.

Не только состояние здоровья, но и характер личности, возможно, находится под эпигенетическим контролем. Детеныши крыс, которые тщательно вылизывают и вычесывают свое потомство, взрослея, становятся смелыми, коммуникабельными и обучаемыми. У нерадивых мамаш потомство выглядит агрессивным, трусливым, замкнутым. Согласно данным исследований Майкла Мини и Моше Шифа, у потомства неласковых крыс изменен уровень метилирования рецепторов кортизола в гиппокампе, области мозга, ответственной за переработку и запоминание впечатлений [1]. Следствием этого становятся гиперактивация гипофиза в ответ на любое воздействие и синтез большого количества кортизола. Биохимический ответ не адекватен поступившему сигналу, любое событие выводит крысят из равновесия, пугает их, стимулируя ответ в типичной для стресса форме — нападай или убегай. Если же боязливым неухоженным крысятам давать пищу, обогащенную веществами, меняющими степень метилирования и структуру гистонов, они постепенно становятся храбрыми и уравновешенными. А можно просто перенести их в более благоприятную среду — в просторные клетки с большим количеством «игрушек». Или к уже подросшим особям подсадить заботливую мамашу, которая начнет фанатично их вылизывать. Материнская забота изменяет эпигенетическую регуляцию в клетках мозга, и на таком фоне развитие отрицательных свойств приостанавливается.

Что же у людей? Дети, родители которых не уделяли младенцам должного внимания, а также те, кто подвергался насилию в детском возрасте, демонстрируют гиперреакцию на стресс, пониженный уровень иммунной защиты, склонность к аутизму и депрессии, тревожности, шизофрении, асоциальному поведению в старшем возрасте [5]. Для формирования психического здоровья решающими являются период беременности и первые годы жизни ребенка. Внимание и забота родителей, их гармоничные отношения друг с другом, забота взрослых в том числе и о самих себе повышают шансы на формирование здорового и счастливого потомства.

Самая наглядная иллюстрация доминирования эпигенетических механизмов над генетическими — различия между однояйцовыми близнецами, которые минимальны в детстве и усугубляются с возрастом, по мере накопления воздействий разнообразных факторов окружающей среды. Чем дальше друг от друга живут близнецы, тем больше разница между ними. Марио Фрага провел эпигенетический анализ (степень метилирования ДНК и модификации гистонов) тканей 40 пар близнецов и обнаружил, что самые молодые пары близнецов эпигенетически практически идентичны, а вот у самых старших больше всего отличий (рис. 7) [6]. Таким образом, оставаясь генетически одинаковыми, однояйцовые близнецы «эпигенетически» с возрастом разнятся все больше и больше, что влияет, в том числе, и на склонность к развитию тех или иных заболеваний.

Повторим, эпигенетические механизмы продолжают действовать, когда первоначальный сигнал уже не оказывает влияния на клетки. Именно поэтому переживания раннего детства оставляют отпечаток на характере человека, а особенности питания матери определяют риск заболевания потомства, например, диабетом во взрослом возрасте. Эпигенетика отвечает за приспособления к изменяющейся внешней среде, этот навык является гибким, но в то же время достаточно стойким.

Эпигенетика здоровья и болезней человека

Эпигенетическую этиологию сегодня выделяют в развитии многих заболеваний: онкологических, сердечно-сосудистых, аутоиммунных, болезни Альцгеймера и болезни Паркинсона, когнитивных нарушений, шизофрении, ожирения и диабета, сексуальных дисфункций и бесплодия [7]. Среди эффекторов формирования клинически значимых эпигенетических паттернов рассматривают тяжелые металлы, пестициды, полициклические ароматические углеводороды, никотин и табачные смолы, гормоны (в том числе в составе контрацептивов), бактериальное и вирусное инфицирование, радиоактивное облучение, факторы социального окружения, включая детско-родительские отношения, о которых мы уже говорили выше.

У курящих обнаружено около 135 генов с измененной активностью [8]. Среди этих генов 81 подавлен и 54, наоборот, гиперактивированы, в том числе и чрезвычайно важные гены, регулирующие удвоение и расхождение дочерних хромосом при митозе (TTK, NEK2, PRC1). Потеря контроля над нормальным делением — прямой путь к злокачественной трансформации клеток. Примечательно, что нормальная активация многих генов оставалась нарушенной у бывших курильщиков спустя 20 лет после того, как они отказались от вредной привычки. Это еще одно подтверждение устойчивости механизмов эпигенетической регуляции. Однако отнюдь не посыл к тому, чтобы не отказаться от курения немедленно!

Что касается питания, то на сегодняшний день нет научно обоснованных рекомендаций по «эпигенетически правильному» питанию. Однако обогащение рациона донорами метильных групп, возможно, позволит избежать возрастного гипометилирования ДНК [1]. Холин содержится в яйцах, арахисе, соевых продуктах. Метионин — в брокколи, чесноке, шпинате, цельнозерновом хлебе, рисе, зеленом горошке, в рыбе и мясе. Фолиевой кислотой богаты свекла, листовые овощи, помидоры, зеленая фасоль, яичный желток. Мясо, рыба и молочные продукты являются источником витамина В12. Таким образом, самые обычные продукты поддерживают нормальную работу эпигенома. И если питание сбалансировано и разнообразно, нет смысла принимать специальные добавки.

И все же в «эпигенетическом меню» есть явные фавориты — это зеленый чай, куркума, чеснок и соевые продукты [9, 10]. Содержащиеся в них соединения (эпигаллокатехина галлат, куркумин, органические сульфиды, генистеин) воздействуют на систему ферментов эпигенома и вследствие этого могут, по крайней мере теоретически, нормализовать эпигенетическую регуляцию. Однако и здесь не все так однозначно: компоненты зеленого чая ослабляют действие ряда противоопухолевых лекарств, поэтому онкологические больные прием препаратов зеленого чая должны обязательно согласовать с лечащим врачом.

Для целого ряда лекарств установлены эпигенетические механизмы действия [11, 12]. В этот список входят цитостатики — 5-азацитидин и децитабин (ингибиторы ДНК-метилаз, защищающие от «выключения» гены-супрессоры опухолевых процессов), вориностат и ромидепсин (ингибиторы гистоновых деацетилаз). Еще один ингибитор гистоновых деацетилаз — вальпроевая кислота — уже много лет используется в неврологии и психиатрии как противосудорожный препарат. По данным экспериментальных исследований, вальпроевая кислота способна существенно облегчить усвоение новых навыков и знаний, повышая пластичность мозга. Возможно, и этот процесс является следствием изменения эпигенетической регуляции.

Для целого ряда лекарственных препаратов (изотретиноин, нейролептики, антидепрессанты, наркозные препараты, гормональные контрацептивы, статины, НПВС), которые принимают длительное время, эпигенетическим влиянием объясняются некоторые побочные эффекты [13]. Препараты изотретиноина широко используются в косметологии и дерматологии при лечении акне и некоторых опухолей кожи. Фармакологические эффекты изотретиноина обусловлены как прямым действием на ядерные ретиноевые рецепторы, так и опосредованным действием. К эпигенетически обусловленным побочным эффектам препаратов изотретиноина относят алопецию, артралгию, воспалительные процессы в толстом кишечнике, остеопению, эректильную дисфункцию [13]. Важно отметить, что данные проявления сохраняются и после отмены препарата, что характерно для эпигенетической регуляции.

Исследования последних лет указывают на то, что микро-РНК могут быть эффективными модуляторами процесса клеточного старения [14]. Пока мы не знаем, отключение каких генов способно омолодить клетку, а каких — состарить. Так, например, попытка заглушить гены онкобелков вируса папилломы человека Е6 и Е7, стимулирующих пролиферацию, привела к тому, что наряду со снижением экспрессии этих генов у клеток проявились биохимические и морфологические признаки старения [15]. Тем не менее, изучение возможностей фармакотерапии с использованием микро-РНК находится в фарватере научных исследований [16, 17]. Основные направления — химиотерапия опухолей [18], лечение вирусных заболеваний [19, 20], преодоление антибиотикорезистентности микроорганизмов [21].

Итак, эпигенетическая терапия рассматривается сегодня как перспективное на- правление фармакотерапии, так как позволяет оказывать существенное влияние на процессы, протекающие в организме, без вмешательства в геном (рис. 8). По мнению Моше Шифа, именно эпигенетический путь определит будущее химиотерапии опухолей и онкопрофилактики [1]. Однако воздействие на эпигеном влиянием на метилирование ДНК, модификацию гистонов или с помощью микро-РНК — обоюдоострый меч, поскольку при этом могут активироваться как защитные факторы, так и онкогены, может усиливаться синтез белков, отвечающих за развитие серьезных побочных эффектов лекарств. Поэтому каждый препарат, претендующий на эпигенетические механизмы действия, должен подвергаться тщательному изучению.

Эпигеном старения

Как в культуре клеток, так и в живых организмах при старении наблюдается общий процесс деметилирования ДНК (рис. 9) [22]. А это означает потенциальную активизацию большего числа генов, что может быть полезным с точки зрения адаптации дряхлеющего организма к внешней среде. Возможно, что включающиеся при возрастном деметилировании ДНК гены представляют собой дополнительный адаптивный ресурс, одно из проявлений процесса витаукта — физиологического процесса, который, по мнению выдающегося геронтолога В.В. Фролькиса, противодействует старению. С другой стороны, одновременное включение большого количества генов может привести к формированию «биохимического хаоса», нарушению регуляторных процессов поддержания гомеостаза, а также к активации онкогенеза. В отношении некоторых генов наблюдается обратная возрастная тенденция — их гиперметилирование и выключение. Это относится к генам рецепторов эстрогенов, глутатионтрансферазы GSTP1 (фермент второй фазы детоксикации), инсулиноподобного фактора роста, кадгеринов (молекул клеточной адгезии) и коллагена [23, 24].

С возрастом снижается активность сиртуинов — ферментов из группы гистоновых деацетилаз. На этом фоне уменьшается плотность гистонов и опять-таки все большее число генов активизируется. Подавление активности сиртуинов — одна из возможных стратегий противоопухолевой терапии, направленной на стимуляцию апоптоза в опухолевых клетках [25]. А вот в качестве геропротектора рассматривается резвератрол, активизирующий ген сиртуина [26].

Что касается третьего механизма эпигенетической регуляции, то следует отметить: с возрастом уровень микро-РНК в клетках повышается. Установлена связь этой тенденции с возрастным ухудшением функции сердца, апоптозом кардио миоцитов [27]. Именно участием микро-РНК опосредовано повреждение тканей сердца, развитие тяжелых аритмий на начальных этапах реперфузии после инфаркта миокарда [28].

Эпигенетика старения кожи

Изучение вклада эпигенетических механизмов в процесс старения кожи еще только начинается. Однако на сегодняшний день известно, что в целом в клетках эпидермиса и дермы с возрастом наблюдается преимущественно деметилирование ДНК, и только в отношении 1% исследованных генов отмечается гиперметилирование [29]. Следствием таких эпигенетических изменений становится экспрессия большего числа генов, нестабильность генома и утрата «родительских» защитных эпигенетических механизмов [30]. Среди деметилированных могут оказаться как онкогены, несущие определенные мутации, так и гены защищающих от онкогенеза белков. К сожалению, в коже, которая из всех органов человеческого организма наиболее подвержена агрессивному воздействию окружающей среды, с возрастом накапливаются мутации, определяющие онкогенность. Такие мутации, связанные с УФ-облучением, обнаруживаются даже у молодых людей со здоровой кожей, однако в этом случае они сопряжены с метилированием цитозина в промоторных участках гена, а потому мутантные гены выключены из процессов транскрипции, трансляции и последующего синтеза опасных белков [29, 31]. У пациентов с раком кожи обнаружено метилирование промоутерных участков генов- супрессоров опухолей.

Как мы уже упоминали, возрастное метилирование затрагивает лишь небольшое число генов, однако среди них есть кодирующие важнейшие регуляторные белки, и этот процесс описывается как пренеопластические эпигенетические изменения [29]. В отношении кожи выявлено возрастное метилирование DDAH2 — эпигенетического маркера клеточной дифференциации, кодирующего фермент регуляторных механизмов с участием оксида азота. Известно, что с помощью NO-зависимых механизмов ограничивается пролиферация кератиноцитов и осуществляется защита от рака кожи [32]. Кроме того, метили- рованию в кератиноцитах подвергается онкосупрессорный ген TET2 (рис. 10). Мультилокусное гипометилирование и гиперметилирование наблюдаются при меланоме, причем в отношении некоторых генов это является плохим прогностическим признаком развития заболевания [30, 33].

Есть ли «свет в конце туннеля»? Конечно, есть. Американской администрацией по контролю качества лекарств и продуктов питания (FDA) разрешены к применению при лечении Т-клеточной лимфомы препараты вориностат и ромидепсин, являющиеся ингибиторами деацетилазы гистонов. В онкогематологии используются препараты азацитидин и децитабин, ингибиторы ДНК-метилтрансферазы: механизмы действия этих лекарственных препаратов еще нуждаются в уточнении, однако с их применением, в том числе и в дерматоонкологии, связывают большие надежды.

Эпигенетическая косметология? Почему бы и нет!

Можно предположить, что возрастное деметилирование, равно как и ослабление других механизмов эпигенетической регуляции в клетках кожи могут быть связаны с нутриентным дефицитом в тканях, обусловленным как неполноценностью пищевого рациона, нарушением процессов всасывания и трансформации важнейших нутриентов, так и ухудшением кровообращения в коже, которое отчетливо наблюдается при старении, в том числе и преждевременном на фоне фотоповреждения. А это уже отсылает нас к кажущимся такими банальными рекомендациям по здоровому питанию, в том числе сбалансированному по нутриентам — источникам метильных групп.

Однако возможно целенаправленное изменение и других факторов внешней среды. Группой Макса Лафонтена было проведено детальное исследование изменения экспрессии генов в клетках жировой ткани после 12 сеансов (по 30 мин) механического массажа (LPG) ягодиц на протяжении 6 нед у женщин пременопаузального возраста с гиноидным типом телосложения [34, 35]. Статистический анализ показал, что 1014 генов увеличили свою экспрессию в 1,2–6,9 раза, а 691 ген снизили экспрессию в 0,4–0,9 раза. Интересно отметить, что экспрессия генов, связанных с белками внеклеточного матрикса, выросла почти втрое. При этом возросла как активность гена проколлагена I типа, так и некоторых металлопротеиназ (7-го и 9-го типа), что, возможно, является отражением процесса ремодуляции внеклеточного матрикса соединительной ткани. Модуляция экспрессии генов не является чем-то специфичным исключительно для массажа LPG: изменение экспрессии большого числа генов выявлено после облучения кожи широкополосным импульсным светом [36]. Возможно, большинство (если не все) физиотерапевтических процедур следует рассматривать с точки зрения воздействия на эпигеном отдельных тканей, а может быть даже и всего организма [37]. Но эта гипотеза, безусловно, нуждается в дополнительных доказательствах. Вспомним: изменения экспрессии генов не обязательно являются эпигенетическими по своей природе. Количественно экспрессия тех или иных генов происходит практически при любых воздействиях, но в подав ляющем большинстве случаев эти изменения не являются эпигенетическими и вполне обратимы. В этом есть глубокий биологический смысл: физиологические адаптационные реакции, в основе которых лежат изменения активности генов, не должны менять долговременные характеристики наших клеток. Постоянство — не менее важная черта многоклеточных организмов, чем их способность изменяться в ответ на действие факторов внешней и внутренней среды!

А вот проведение в программах эстетической геропротекции длительной курсовой и поддерживающей терапии с использованием определенных препаратов, теоретически, может способствовать эпигенетическим изменениям. В последнее время проводятся научные исследования препарата Meso-Xanthin F199 [38, 39], в состав которого входит каротиноид фукоксантин, влияние которого на метаболические процессы, а также на экспрессию отдельных генов активно изучается [40–46].

Времена не выбирают, в них живут!

Открытие эпигенетических механизмов регуляции работы генов позволило по-новому взглянуть на развитие болезней, процесс старения. Каждый человек — «хозяин» своих генов, но распорядиться этим «хозяйством» может по-разному. Здоровый образ жизни и сбалансированное питание обеспечивают условия для оптимального функционирования эпигенетических механизмов, необходимых для успешной адаптации организма к меняющимся условиям внешней среды, в том числе и социальной. Американские (а прежде советские) геронтологи Леонид и Наталья Гавриловы показали, что «вклад» генетических факторов в продолжительность жизни индивидуума относительно невелик и составляет около 10–15%, на образ жизни приходится около 45–50%, остальное зависит от «стохастического фактора» — непредсказуемости судьбы. Таким образом, эпигеному (его функционирование во многом определяется образом жизни) отдан практически «контрольный пакет акций».

Английским генетиком Конрадом Хэлом Уоддингтоном еще в 1942 г. была предложена оригинальная модель так называемого «эпигенетического ландшафта», определяющего судьбу отдельной клетки (рис. 11) [45]. Однако эта модель может быть экстраполирована и на развитие многоклеточного организма. Согласно модели Уоддингтона, на протяжении эмбрионального периода и после рождения живое существо (человек в том числе), словно шарик, скатывается по наклонной поверхности. И если в начале пути у него всего одна дорога, то потом она начинает ветвиться. Этот путь тернист, на большой скорости, раскачиваясь, можно перелететь через возвышенности, разделяющие разные тропы, и оказаться с другой стороны, на новом пути. Однако холмы, разделяющие тропинки, достаточно высоки, и перебраться через них непросто — так жестко эпигенетические переключатели управляют жизнью клетки и организма. Чем дальше от стартовой точки, тем глубже становятся долины, выбраться из них все труднее, но у тропинок всегда появляются разветвления, и вектор движения можно изменить. Человек во многом хозяин своей судьбы — вот что подсказывает нам эпигенетический ландшафт Уоддингтона.

Бесконечная жажда познания себя и окружающего мира подталкивает к проведению все новых и новых научных исследований, формулировке самых смелых гипотез. Высказывается предположение о наличии в клетке еще одной «надгенетической» регуляторной системы — парагенома [48]. Похоже, что клеточное ядро также «неисчерпаемо», как и атом. Но мы живем в реалиях сегодняшнего дня, а потому исследования эпигенетических механизмов действия тех или иных природных соединений представляются чрезвычайно актуальными, ведь речь идет об изучении не только спектра биологической активности лекарственных препаратов в рамках эффективной геропротекции, но и возможных побочных эффектов [49].

Авторы приносят огромную благодарность В.В. Ашапкину, кандидату биологических наук, старшему научному сотруднику НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, за помощь в подготовке этой статьи.

Литература

  1. Шпорк П. Читая между строк ДНК. М., Ломоносов, 2013.

  2. Кленов М.С. Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине — Э. Файер и К. Мэллоу. Природа. 2007; 1: 76–79.

  3. Waterland R.A., Travisano M., Tahiliani K.G. Diet-induced hypermethylation at agouti viable yellow is not inherited transgenerationally through the female. FASEB J. 2007; 21 (12): 3380–3385.

  4. Dolinoy D.C. The agouti mouse model: an epigenetic biosensor for nutritional and environmental alterations on the fetal epigenome. Nutr Rev.2008; 66 (Suppl 1): 7–11.

  5. Heim C., Shugart M., Craighead W.E., Nemeroff C.B. Neurobiological and psychiatric consequences of child abuse and neglect. Dev Psychobiol. 2010; 52 (7): 671–690.

  6. Fraga M.F., Ballestar E., Paz M.F. et al. Epigenetic diff erences arise during the lifetime of monozygotic twins. Proc Natl Acad Sci USA. 2005; 102 (30): 10604–10609.

  7. Bjornsson H.T., Fallin M.D., Feinberg A.P. An integrated epigenetic and genetic approach to common human disease. Trends Genet. 2004; 20 (8): 350–358.
  8. Сеньков О. Переписать код жизни. Здоровье. 2012, январь: 62–64.

  9. Stefanska B., Karlic H., Varga F., Fabianowska-Majewska K., Haslberger A. Epigenetic mechanisms in anti-cancer actions of bioactive food components--the implications in cancer prevention. Br J Pharmacol. 2012; 167 (2): 279–297.

  10. Vanden Berghe W. Epigenetic impact of dietary polyphenols in cancer chemoprevention: lifelong remodeling of our epigenomes. Pharmacol Res. 2012; 65 (6): 565–576.

  11. Peedicayil J. Epigenetic therapy — a new development in pharmacology. Indian J Med Res. 2006; 123 (1): 17–24.

  12. Gervain J., Vines B.W., Chen L.M., Seo R.J., Hensch T.K., Werker J.F., Young A.H. Valproate reopens critical-period learning of absolute pitch. Front Syst Neurosci. 2013; 3 (7): 102.

  13. Csoka A.B., Szyf M. Epigenetic side-eff ects of common pharmaceuticals: a potential new fi eld in medicine and pharmacology. Med Hypotheses. 2009; 73 (5): 770–780.

  14. Деев А.И. Старение и антистарение. 2. От генетической к эпигенетической теории старения. Косметика и медицина. 2005; 2: 14–21.

  15. Colombo S., Zeng X., Ragelle H., Foged C. Complexity in the therapeutic delivery of RNAi medicines: an analytical challenge. Expert Opin Drug Deliv. 2014; June 20: 1–15.

  16. Wu S.Y., Lopez-Berestein G., Calin G.A., Sood A.K. RNAi Therapies: Drugging the Undruggable. Sci Transl Med. 2014; 6 (240): 240ps7.

  17. Hall A.H., Alexander K.A. RNA interference of human papillomavirus type 18 E6 and E7 induces senescence in HeLa cells. J Virol. 2003; 77 (10): 6066–6069.

  18. Matheis F., Besch R. Bifunctional siRNAs for Tumor Therapy. Methods Mol Biol. 2014; 1169: 181–192.

  19. Perwitasari O., Johnson S., Yan X., Howerth E., Shacham S., Landesman Y., Baloglu E., McCauley D., Tamir S., Tompkins S.M., Tripp R.A. Verdinexor, a novel Selective Inhibitor of Nuclear Export (SINE), reduces Infl uenza A virus replication in vitro and in vivo. J Virol. 2014; 88 (17): 10228–10243.

  20. Thongthae N., Payungporn S., Poovorawan Y., T-Thienprasert N.P. A rational study for identifi cation of highly eff ective siRNAs against hepatitis B virus. Exp Mol Pathol. 2014; 97 (1): 120–127.

  21. Edson J.A, Kwon Y.J. RNAi for silencing drug resistance in microbes toward development of nanoantibiotics. J Control Release. 2014; 189: 150–157.

  22. D'Aquila P., Rose G., Bellizzi D., Passarino G. Epigenetics and aging. Maturitas. 2013; 74 (2):130–136.

  23. Gonzalo S. Epigenetic alterations in aging. J Appl Physiol. 1985; 109 (2): 586–597.

  24. Akintola A.D., Parrish A.R. Gene-Specifi c Hypermethylation in Aging. In.: Epigenetics of Aging. Springer, 2010.

  25. Lara E., Mai A., Calvanese V., Altucci L. et al. Salermide, a Sirtuin inhibitor with a strong cancer-specifi c proapoptotic eff ect. Oncogene. 2009; 28: 781–791.

  26. Giblin W., Skinner M.E., Lombard D.B. Sirtuins: guardians of mammalian healthspan. Trends Genet. 2014; 30 (7): 271–286.

  27. Olivieri F., Lazzarini R., Recchioni R. et al. MiR-146a as marker of senescence-associated proinfl ammatory status in cells involved in vascular remodelling. Age. 2012, 35 (4): 1157–1172.

  28. Boon R.A., Iekushi K., Lechner S. et al. MicroRNA-34a regulates cardiac ageing and function. Nature. 2013; 495 (7439): 107–110.

  29. Gronniger E., Weber B., Heil O., Peters N., Stab F., Wenck H., Korn B., Winnefeld M., Lyko F. Aging and chronic sun exposure cause distinct epigenetic changes in human skin. PLoS Genet. 2010; 6 (5): e1000971.

  30. Cheng J.B., Cho R.G. Genetics and Epigenetics of the Skin Meet Deep Sequence. J Invest Dermatol. 2012; 132: 923–932.

  31. Ikehata H., Kawai K., Komura J., Sakatsume K., Wang L. et al. UVA1 genotoxicity is mediated not by oxidative damage but by cyclobutane pyrimidine dimers in normal mouse skin. J Invest Dermatol. 2008; 128 (9): 2289–2296.

  32. Bruch-Gerharz D., Ruzicka T., Kolb-Bachofen V. Nitric oxide in human skin: current status and future prospects. J Invest Dermatol. 1998; 110 (1): 1–7.

  33. Blair L.P., Yan Q. Epigenetic mechanisms in commonly occurring cancers. DNA Cell Biol. 2012; 31, Suppl 1: 49–61.

  34. Лафонтен М. Исследование эффективности технологий Липомассаж-Эргодрайв в программах коррекции локальных жировых отложений с помощью методов микродиализа и молекулярного анализа (ДНК-чипов). Аппаратная косметология и физиотерапия. 2011; 1: 30–37.

  35. Marques M.A., Combes M., Roussel B., Vidal-Dupont L., Thalamas C., Lafontan M., Viguerie N. Impact of a mechanical massage on gene expression profi le and lipid mobilization in female gluteofemoral adipose tissue. Obes Facts. 2011; 4 (2): 121–129.

  36. Chang A.L., Bitter P.H. Jr, Qu K., Lin M., Rapicavoli N.A., Chang H.Y. Rejuvenation of gene expression pattern of aged human skin by broadband light treatment: a pilot study. J Invest Dermatol. 2013; 133 (2): 394–402.

  37. Деев. А.И. Могут ли аппаратные воздействия в косметологии изменить активность наших генов? Аппаратная косметология и физиотерапия. 2013; 2: 12–23.

  38. Ашапкин В., Кутуева Л., Ванюшин Б. и др. Препарат MESO-XANTHIN F199 и его роль в эпигенетическом механизме коррекции возрастных изменений кожи (часть 1). Эстетическая медицина. 2013; 4: 459–468.

  39. Ашапкин В., Кутуева Л., Ванюшин Б. и др. Препарат MESO-XANTHIN F199 и его роль в эпигенетическом механизме коррекции возрастных изменений кожи (часть 2). Эстетическая медицина. 2014; 1: 35–39.

  40. Yoshiko S., Hoyoku N. Fucoxanthin, a natural carotenoid, induces G1 arrest and GADD45 gene expression in human cancer cells. In Vivo. 2007; 21 (2): 305–309.

  41. Kim S.K., Pangestuti R. Biological activities and potential health benef ts of fucoxanthin derived from marine brown algae. Adv Food Nutr Res. 2011; 64: 111–128.

  42. Peng J., Yuan J.P., Wu C.F., Wang J.H. Fucoxanthin, a marine carotenoid present in brown seaweeds and diatoms: metabolism and bioactivities relevant to human health. Mar Drugs. 2011; 9 (10): 1806–1828.

  43. Zheng J., Piao M.J., Keum Y.S., Kim H.S., Hyun J.W. Fucoxanthin Protects Cultured Human Keratinocytes against Oxidative Stress by Blocking Free Radicals and Inhibiting Apoptosis. Biomol Ther (Seoul). 2013; 21 (4): 270–276.

  44. Kumar S.R., Hosokawa M., Miyashita K. Fucoxanthin: a marine carotenoid exerting anti-cancer ef ects by af ecting multiple mechanisms. Mar Drugs. 2013; 11 (12): 5130–5147.

  45. Rwigemera A., Mamelona J., Martin L.J. Inhibitory ef ects of fucoxanthinol on the viability of human breast cancer cell lines MCF-7 and MDA-MB-231 are correlated with modulation of the NF-kappaB pathway. Cell Biol Toxicol. 2014; 30 (3): 157–167.

  46. Wu M.T., Chou H.N., Huang C.J. Dietary fucoxanthin increases metabolic rate and upregulated mRNA expressions of the PGC-1alpha network, mitochondrial biogenesis and fusion genes in white adipose tissues of mice. Mar Drugs. 2014; 12 (2): 964–982.

  47. Goldberg A.D., Allis C.D., Bernstein E. Epigenetics: a landscape takes shape. Cell. 2007; 128 (4): 635–638.

  48. Оловников А.М. Роль парагенома в развитии организмов. Онтогенез. 2007; 38 (2): 1–23.

  49. Москалев А.А. Генетика и эпигенетика старения и долголетия. Экологическая генетика. 2013; 11 (1): 3–11.

24.02.15

* Обязательные к заполнению поля.

Представьтесь, пожалуйста: *
Удобное время для звонка:
Телефон: *
Ваш вопрос: