Эпигенетика

Глава 12. Все сосредоточено в мозге

Одним из наиболее примечательных литературных направлений последнего десятилетия стали неуклонно набирающие все большую популярность «страдальческие мемуары». Работающие в этом жанре авторы предлагают нам воспоминания о суровых годах своего детства и рассказывают о том, как им удалось преодолеть все невзгоды и стать благополучными и преуспевающими членами общества. Этот жанр можно подразделить на две категории. К первой из них принадлежат повествования о бедных, но счастливых, о том, что «у нас не было ничего, кроме любви». Вторая, в которой также может фигурировать нищета, объединяет куда более печальные истории. Душераздирающие сочинения этой категории повествуют о детстве, которое было отмечено равнодушием или насилием со стороны родителей, и иногда воспоминания именно такого рода пользуются наибольшим признанием у публики. Пожалуй, самая популярная из этой категории книга «Ребенок, о котором говорили “оно”» Дэйва Пельцера, более шести лет продержалась в списке бестселлеров «Нью-Йорк Таймс».

Причина привлекательности подобной литературы для читающей публики лежит, вероятно, в том, что герой в конечном итоге берет верх над обстоятельствами. Сопереживая персонажам таких книг, читатели, кроме того, заряжаются от них верой в то, что, начав жизнь в самых неблагоприятных условиях, все же возможно стать впоследствии человеком успешным и счастливым. Мы восторженно аплодируем тем, кто добился своего «вопреки всему и несмотря ни на что».

Из этого мы вправе сделать некоторые важные выводы. Как члены общества, мы осознаем, что происходящие в детстве события оказывают чрезвычайно глубокое влияние на нашу взрослую жизнь. Кроме того, мы понимаем, что преодолеть последствия полученной в этом возрасте травмы зачастую бывает очень сложно. Как читатели же, мы восторгаемся достигнутым героями успехом, поскольку понимаем, что в действительности такое случается далеко не всегда.

И эти наши предположения и оценки вполне справедливы, так как приобретенный в детстве негативный опыт на самом деле может стать одной из главных причин драматических событий во взрослой жизни. Существуют самые разнообразные способы оценки такой взаимосвязи, и точные цифры, полученные в разных исследованиях, могут различаться. Однако определенные общие тенденции, тем не менее, прослеживаются. Взрослые, прошедшие в детстве через насилие или равнодушие, в среднем в три раза чаще, чем остальные, совершают попытки самоубийства. Люди, подвергавшиеся в детстве насилию, по меньшей мере, на 50 процентов чаще, чем остальное население, страдают в зрелом возрасте от тяжелых депрессий, и вылечить эти расстройства значительно сложнее. Взрослые, испытавшие на себе в детстве безразличное или жестокое обращение, также подвержены значительно более высокому риску развития и других серьезных заболеваний, в том числе шизофрении, расстройства пищевого поведения, изменения личности, биполярная болезнь (маниакальная депрессия) и постоянное чувство страха. Кроме того, они в большей степени предрасположены к наркомании и алкоголизму[204].

Среда, отличительными особенностями которой в детском возрасте являются жестокое обращение или равнодушное отношение со стороны взрослых, несомненно представляет собой одно из главных условий для развития впоследствии невропатологических и психиатрических заболеваний. Мы, как члены общества, настолько убеждены в справедливости этого тезиса, что обычно даже не задаемся вопросом, по какой причине это происходит. Нам это кажется самоочевидным. Однако это не так. Как могут события, продолжавшиеся, скажем, в течение двух лет, иметь для человека столь разрушительные последствия несколько десятилетий спустя?

Одно из объяснений этого, которое наиболее часто приходится слышать, сводится к тому, что такой ранний жизненный опыт наносит детям «психологическую травму». Это так, но это объяснение ничего не объясняет. И бесполезно оно по той причине, что словосочетание «психологическая травма» является вовсе не объяснение а описанием. Звучит оно довольно убедительно, но на самом де. не дает нам никакой значимой информации.

Любой ученый, занимающийся этой проблемой, непременно захочет исследовать это описание на качественно ином уровне. Какие молекулярные явления лежат в основе таких психологических травм? Что происходит в мозге детей, подвергавшихся бездушному или насильственному обращению, делающее их в зрелом возрасте настолько уязвимыми для психических расстройств?

Иногда у представителей других дисциплин, оперирующих иными системами понятий, могут возникать возражения против такого подхода. И это выглядит довольно странно. Если мы не согласимся с тем, что у биологического следствия должна быть молекулярная причина, то с чем же мы останемся? Религиозный человек, скорее всего, предпочтет рассуждения о душе, а последователь теорий Фрейда — о психике. Но оба они будут апеллировать к теоретическим построениям, не имеющим под собой определенной физической базы. Увлечение такой модельной системой, в которой невозможно построение экспериментально проверяемых гипотез, являющихся краеугольным камнем любого научного исследования, глубоко претит серьезным ученым. Мы предпочитаем исследовать механизмы, имеющие под собой физический базис, а не слепо доверять сценариям, при которых нечто, как предполагается, является частью нас, но остается при этом неосязаемым и спорным с точки зрения своего материального существования.

Это может привести к культурному конфликту, но причина его лишь в недопонимании. Ученый предполагает, что любые наблюдаемые явления должны иметь физическое обоснование. Что же касается темы настоящей главы, то предлагаемая нами гипотеза заключается в том, что тяжелый опыт раннего детства меняет определенные физические аспекты мозга в процессе ключевого для развития периода. Это, в свою очередь, повышает вероятность нарушения психического здоровья в зрелом возрасте. Это механистическое объяснение. В нем, разумеется, недостает деталей, но с некоторыми из них мы познакомимся уже в этой главе. Механистические объяснения часто негативно воспринимаются общественным мнением, потому что кажутся уж слишком детерминистическими. Механистические объяснения — при часто присущем им неверном толковании — предполагают, что люди по сути своей являются не более чем роботами, лишенными свободы воли и запрограммированными выполнять строго определенные действия в ответ на конкретные раздражители.

Но это совершенно не так. Если система достаточно гибка, то один раздражитель вовсе необязательно должен приводить к одному и тому же результату. Далеко не каждый ребенок, прошедший через равнодушие и насилие, становится несчастным и неблагополучным взрослым. Этот феномен должен иметь механистический фундамент, но не быть при этом детерминистическим.

Мозг человека наделен достаточной гибкостью, чтобы в зрелом возрасте вызывать различные реакции на одинаковый детский опыт. В нашем мозге насчитывается сто миллиардов нервных клеток (нейронов). Каждый нейрон создает связи с десятью тысячами других нейронов, в результате чего образуется невероятная в своей сложности трехмерная решетка. В этой решетке, таким образом, присутствует тысяча триллионов, то есть 1 000 000 000 000 000 (квадрильон), соединений. Такую величину трудно вообразить, поэтому давайте представим каждое соединение в виде диска толщиной в 1 миллиметр. Если мы сложим квадрильон таких дисков один на другой стопочкой, то эта колонна сможет трижды дотянуться до Солнца (которое находится от Земли на расстоянии девяноста трех миллионов миль) и вернуться обратно.

Что уж говорить, соединений действительно много, так что совсем несложно согласиться с тем, что наш мозг обладает завидной гибкостью. Но все соединения образуются не случайным образом. Внутри этой гигантской решетки присутствуют определенные сети клеток, которые стремятся соединиться друг с другом, а не с чем-то еще. Именно в результате комбинации предельной гибкости с ее ограничениями, накладываемыми определенными группировками клеток, и создается система, являющаяся механистической, но не целиком детерминистической.

Причина, по которой ученые предположили, что взрослый человек испытывает последствия перенесенного им в детстве насилия, так как в его основе, возможно, лежит некий эпигенетический фактор, объясняется тем, что мы сталкиваемся с условиями, при которых это событие, являющиеся «триггером», продолжает оказывать на человека влияние, хотя уже само по себе давно закончилось. Долгосрочные последствия полученной в детском возрасте травмы очень похожи на многие явления, обусловленные эпигенетическими системами. Мы уже рассмотрели некоторые примеры этого ряда. Дифференцированные клетки помнят, к какому типу клеток они принадлежат, даже через очень много времени после прекращения действия сигнала, побудившего их стать клетками почки или клетками кожи. Одри Хепберн всю жизнь отличалась слабым здоровьем из-за голода, который ей пришлось пережить в подростковом возрасте во время Голландской голодной зимы. Импринтинговые гены подавляются на определенных стадиях развития и остаются в таком состоянии на протяжении всей жизни человека. В самом деле, эпигенетические модификации являются единственным известным механизмом, поддерживающим клетки в определенном состоянии исключительно долгие периоды времени.

Гипотеза, являющаяся главенствующей среди эпигенетиков, гласит, что полученная в раннем детстве травма вызывает изменения в экспрессии генов в мозге, и эти изменения запускаются или поддерживаются (или и то, и другое) эпигенетическими механизмами. Эти эпигенетически обусловленные аномалии в экспрессии генов являются ответственными за то, что взрослые люди попадают в группу повышенного риска развития психических заболеваний.

В последние годы ученые собрали многочисленные данные, свидетельствующие о том, что эта привлекательная гипотеза имеет под собой серьезные основания. Как оказалось, эпигенетические белки играют заметную роль в программировании последствий детской травмы. И не только — они также важны при развитии депрессивных состояний, привыкания к наркотикам и «нормальной» памяти.

Главным объектом внимания в таких исследованиях стал гормон под названием кортизол. Он вырабатывается в надпочечных железах, расположенных, как следует из их наименования, над почками. Кортизол вырабатывается в ответ на стресс. Чем большее напряжение мы испытываем, тем больше кортизола вырабатывают наши надпочечники. Средний уровень продукции кортизола оказался выше у взрослых, которые перенесли травмы в детском возрасте, даже в тех случаях, если эти люди были совершенно здоровы на момент проведения исследований.[205][206] Это свидетельствует о том, что взрослые, прошедшие в детстве через насилие или равнодушие, обладают более высокими фоновыми стрессовыми уровнями, чем их более удачливые сверстники. Они находятся в состоянии хронического стресса. Развитие психических расстройств во многих случаях, вероятно, отчасти подобно развитию рака. Самые разные и многочисленные факторы должны дать сбой на молекулярном уровне, чтобы у человека развилось клиническое состояние заболевания. Уровни хронического стресса взрослых, переживших в детстве насилие, подталкивают их ближе к этому критическому порогу, повышая их предрасположенность к заболеванию.

Каким образом происходит повышенная экспрессия кортизола? Это следствие явлений, происходящих довольно далеко от области почек, а именно в мозге. В этом процессе задействована целая сигнальная система. Химические вещества, вырабатываемые в одном участке мозга, воздействуют на другие его участки. Эти участки, в свою очередь, вырабатывают в ответ другие химические вещества, и процесс продолжается. В конце концов, некое химическое вещество покидает мозг, отдает команду надпочечным железам, и те вырабатывают кортизол. В период неблагополучного детства эта сигнальная система ведет себя очень активно. У многих взрослых, переживших в детстве психическую травму, она продолжает сигнализировать о необходимости продукции кортизола, как будто человек постоянно находится в травмировавшей его ситуации. Это можно сравнить с системой центрального отопления, на которой сломался термостат, и котел продолжает гнать горячую воду в батареи в августе, «помня» о погоде, которая стояла в минувшем феврале.

Этот процесс начинается в участке мозга, который называется гиппокамп. Этот термин позаимствован из древнегреческого языка и переводится как «морской конек», поскольку своей формой он несколько напоминает это существо. Гиппокамп действует как рубильник, определяющий, насколько активно функционирует система продукции кортизола (см. рис. 12.1). Плюсами на нем обозначены случаи, когда одно событие влечет за собой активацию следующего звена в цепочке. Минусы представляют противоположные явления, когда одно событие понижает уровень активности следующего события в цепочке.

^{Рис. 12.1. Сигнальная система в ответ на стресс инициирует целую цепочку событий в конкретном участке мозга, которая в конечном итоге приводит к высвобождению стрессового гормона кортизола из надпочечных желез. В нормальных обстоятельствах эта система контролируется набором отрицательных петель обратной связи, которые приглушают и сдерживают реакции на стресс}

Из-за изменений в активности гиппокампа, происходящих в ответ на стресс, гипоталамус вырабатывает и выделяет два гормона, кортикотропин-высвобождающий гормон и вазопрессин. Эти два гормона стимулируют гипофиз, вырабатывающий в ответ на это вещество под названием адренокортикотропный гормон, которое попадает в кровеносную систему Когда клетки надпочечной железы поглощают этот гормон, они выделяют кортизол.

В эту систему встроен очень умный механизм. Кортизол циркулирует в кровеносной системе по всему организму, и часть его возвращается в мозг. В каждом из трех отделов мозга, показанных на нашем рисунке, есть рецепторы, распознающие кортизол. Когда кортизол связывается с этими рецепторами, возникает сигнал, призывающий эти отделы успокоиться. Особенно важно это для гипоталамуса, поскольку именно он способен рассылать сигналы, подавляющие активность всех прочих участников этой системы. Это и есть классическая отрицательная петля обратной связи. Кортизол возвращается в различные ткани и в конечном итоге его продукция снижается. Именно это и позволяет нам избегать постоянного состояния повышенного напряжения.

Но нам известно, что взрослые, пережившие в детстве психическую травму, всегда испытывают чрезмерное напряжение. У них вырабатывается слишком много кортизола, и процесс этот протекает непрерывно. Значит, что-то должно быть неладно с их петлей обратной связи. Недавно проведенные исследования с группой людей подтвердили это предположение. В ходе экспериментов изучались уровни кортикотропин-высвобождающего гормона в жидкости, омывающей головной и спинной мозг. Как и предполагалось, уровни кортикотропин-высвобождающего гормона оказались выше у людей, перенесших в детстве психическую травму, по сравнению с теми, кому посчастливилось избежать этого. Это было свойственно даже тем людям, которые на момент проведения эксперимента были совершенно здоровы.[207][208] Поскольку довольно сложно углубленно исследовать эти взаимосвязи у людей, многие кардинальные открытия в этой области были сделаны при использовании животных моделей определенных состояний и при последующем соотнесении их, где это было возможно, с аналогичными состояниями у людей.

Одна из полезных моделей основывалась на изучении последствий материнской заботы, проявляемой крысами. В первую неделю жизни маленькие крысята остро нуждаются в том, чтобы мать вылизывала их и демонстрировала прочие знаки любви и внимания. Одни самки от природы наделены этим даром в большей степени, другие — в меньшей. Если у крысы развит материнский инстинкт, она в равной мере проявляет его по отношению ко всему своему потомству. И наоборот, если мать пассивна в уходе за своими малышами, то недостаток ласки испытывает весь помет.

Наблюдая за повзрослевшим и ставшим самостоятельным потомством матерей этих двух противоположных групп, ученые получили интересные результаты. Если теперь уже вполне взрослые крысы оказывались в умеренно стрессовой ситуации, то наиболее спокойными в ней оставались те из них, кто в детстве испытал заботу и ласку матери. Те же крысы, которые были относительно обделены «материнской любовью», крайне остро реагировали даже на самый незначительный стресс. То есть, чем больше внимания уделяла мать своим новорожденным крысятам, тем более спокойными становились эти крысы в зрелом возрасте.

Ученые проводили эксперименты, в ходе которых новорожденных крысят «плохих» матерей переводили к матерям «хорошим», и наоборот. Эти эксперименты показали, что устойчивость перед стрессовыми ситуациями взрослых крыс полностью и абсолютно зависит от любви и ласки, которые они получают в первую неделю своей жизни. Малыши, рождавшиеся у пассивных в проявлении любви самок, становились в зрелом возрасте вполне уравновешенными особями, если их вскармливали и воспитывали заботливые приемные матери.

Исследуя поведение взрослых крыс, воспитывавшихся в любви и ласке, при воздействии на них умеренных раздражителей, ученые зафиксировали у этих животные пониженные стрессовые уровни. Кроме того, отслеживались и их гормональные уровни, и результаты этих анализов оказались вполне ожидаемыми. Устойчивые к раздражителям крысы продемонстрировали пониженные уровни кортикотропин-высвобождающего гормона в гипоталамусе, как и пониженные уровни гормона адренокортикотропина в крови. Уровни кортизола у них также были ниже, чем у крыс, детство которых прошло в менее благоприятных условиях.

Ключевым молекулярным фактором, понижавшим реакции на стресс у крыс со «счастливым детством», была экспрессия рецептора кортизола в гиппокампе. У этих животных экспрессия этого рецептора оказалась очень активной. В результате, клетки гиппокампа чрезвычайно эффективно улавливали даже самые незначительные количества кортизола и использовали его как спусковой механизм для подавления выделения гормонов, создавая отрицательную петлю обратной связи.

Данные исследования подтвердили, что уровни рецептора кортизола оставались высокими в гиппокампе даже через много месяцев после завершения этого важнейшего для крысят периода материнской заботы. По сути, события, имевшие место лишь в течение семи дней сразу после рождения, продолжали оказывать свое влияние на протяжении практически всей жизни взрослых крыс.

Причина того, что это воздействие оказалось настолько продолжительным, заключается в том факте, что исходный раздражитель — ласка и забота со стороны матери — дал начало цепочке явлений, которые привели к эпигенетическим изменениям гена рецептора кортизола. Эти изменения происходят на самых ранних этапах развития, когда мозг еще наиболее «пластичен». Под пластичностью мы подразумеваем такое его состояние, когда легко и просто могут быть модифицированы схемы экспрессии генов и клеточная активность. Когда животные становятся старше, эти схемы уже не поддаются изменениям. Вот почему первая неделя жизни так важна для крыс.

Происходящие на этом этапе развития изменения показаны на рисунке 12.2. Если мать подолгу вылизывает и выхаживает свое потомство, у юных крысят вырабатывается серотонин — одно из химических веществ в мозге млекопитающих, связанных с ощущением благополучия. Серотонин стимулирует экспрессию эпигенетических ферментов в гиппокампе, что в конечном итоге приводит к понижению метилирования ДНК на гене рецептора кортизола. Низкие уровни метилирования ДНК способствуют высокому уровню экспрессии генов. Как следствие, в гиппокампе очень активно экспрессируется рецептор кортизола, обеспечивающий крысятам чувство комфорта.[209]

^{Рис. 12.2. Активная забота матери о потомстве инициирует цепочку молекулярных явлений, в результате которых повышается экспрессия рецептора кортизола в головном мозге. Такое повышение экспрессии позволяет мозгу очень эффективно реагировать на присутствие кортизола и понижать реакцию на стресс с помощью отрицательной петли обратной связи, показанной на рисунке 12.1.}

Это очень наглядная модель, объясняющая, как происходившие в раннем детстве события, могут влиять на поведение живого существа на протяжении всей жизни. Однако представляется весьма маловероятным, что всего лишь одно эпигенетическое изменение—даже такое значимое, как уровни метилирования ДНК очень важного гена в очень ответственном участке мозга — является исчерпывающей причиной этого явления. Через пять лет после проведения описанного выше эксперимента другой коллектив ученых опубликовал свой доклад, в котором также была продемонстрирована значимость эпигенетических изменений, но уже иного гена.

Эта группа исследователей изучала влияние на мышей стресса, перенесенного в раннем возрасте. В ходе экспериментов ученые в течение первых десяти дней жизни новорожденных мышат забирали их у матерей на три часа ежедневно. Подобно крысятам, не пользовавшимся особым вниманием и заботой матерей, эти мышата, повзрослев, становились очень подверженными стрессам животными. Как и у обделенных материнской лаской крысят, у них резко повышались уровни кортизола, особенно в ответ на незначительные раздражители.

Исследователи, работавшие с мышами, изучали ген аргинин-вазопрессин. Этот ген выделяется гипоталамусом и стимулирует секрецию гипофиза. Он показан на рисунке 12.1. Подвергаемые стрессам мыши, те, которых отлучали от матерей в первые дни их жизни, демонстрировали пониженные уровни метилирования ДНК гена аргинин-вазопрессин, что приводило к повышению продукции аргинин-вазопрессина, стимулировавшего реакцию на стресс[210].

Эксперименты с крысами и мышами позволяют сделать два важных вывода. Во-первых, когда события начальных периодов жизни приводят к стрессам в зрелом возрасте, то в этом процессе, вероятно, задействовано больше одного гена. И ген рецептора кортизола, и ген аргинин-вазопрессина вносят свой вклад в этот фенотип у грызунов.

Во-вторых, исследования также показали, что определенный класс эпигенетических модификаций сам по себе не является хорошим или плохим. Значение имеет то, где происходит модификация. В случае с крысами, понижение метилирования ДНК гена рецептора кортизола является благоприятным фактором, стимулирующим повышение продукции этого рецептора и, в конечном итоге, подавление реакции на стресс. У мышей понижение метилирования ДНК гена аргинин-вазопрессина произвело противоположный эффект, вызывавшим повышение экспрессии этого гормона и стимуляцию реакцию на стресс.

Понижение метилирования ДНК гена аргинин-вазопрессина у мышей происходит по иной схеме, нежели та, что наблюдается у крыс при активации гиппокампом гена рецептора кортизола.

В экспериментах с мышами отлучение их от матери побуждало активность нейронов в гипоталамусе. Это запускало сигнальную систему, воздействующую на белок МеСР2. Белок МеСР2, с которым мы уже встречались в главе 4, связывается с метилированной ДНК и способствует подавлению экспрессии генов. Это также тот самый ген, который мутирует при синдроме Ретта, тяжелом неврологическом расстройстве. Эдриан Берд показал, что белок МеСР2 чрезвычайно активно экспрессируется в нейронах[211].

Обычно белок МеСР2 связывается с метилированной ДНК гена аргинин-вазопрессин. Но у новорожденных мышей в стрессовой ситуации сигнальная система, упомянутая в предыдущем абзаце, добавляет к белку МеСР2 небольшую химическую группу под названием фосфат, и вследствие этого белок МеСР2 отсоединяется от гена аргинин-вазопрессина. Одно из важнейших предназначений МеСР2 состоит в привлечении других эпигенетических белков к области, где он связывается с геном. Это те белки, которые, взаимодействуя между собой, добавляют все больше и больше репрессивных меток к данному участку генома. Когда фосфорилированный МеСР2 отсоединяется от гена аргинин-вазопрессина, он теряет способность привлекать эти разнообразные эпигенетические белки. Как следствие, хроматин утрачивает свои репрессивные метки. Вместо этого на него накладываются активирующие модификации, такие как высокие уровни гистонового ацетилирования. В конечном итоге, даже метилирование ДНК утрачивается безвозвратно.

Самое удивительное то, что все это происходит у мышей в течение первых десяти дней после рождения. Через десять дней нейроны, по большому счету, теряют свою пластичность. Схема метилирования ДНК, устанавливающаяся к концу этого периода, становится в этом участке стабильной. Если уровни метилирования ДНК низкие, это обычно связано с аномально высокой экспрессией гена аргинин-вазопрессина. В этом случае события раннего периода жизни инициируют эпигенетические изменения, которые оказываются «зафиксированными». По этой причине животное остается в состоянии высокого напряжения, сопровождаемого аномальным производством гормонов, в течение длительного времени после завершения вызвавшего стресс события. Эта реакция сохраняется долгое время даже после того, как животное перестанет «переживать» отсутствие матери. В конце концов, мыши, как известно, не принадлежат к числу тех, кто всеми силами стремится ухаживать за своими стареющими родителями.

Исследователи постепенно накапливают сведения, подтверждающие, что некоторые изменения, обнаруженные у грызунов на ранних этапах развития, могут быть присущи и человеку. Как уже отмечалось выше, существует множество различных, и в первую очередь этических препятствий, не позволяющих проводить подобные исследования на людях. Однако, несмотря на это, ученым все же удалось обнаружить некие интригующие взаимосвязи.

Описанные выше эксперименты с крысами первым провел профессор Майкл Мини из университета Макгилла в Монреале. Затем работавшая под его руководством группа ученых провела в высшей степени интересные исследования образцов человеческого мозга, полученных у людей, как это ни прискорбно, покончивших жизнь самоубийством. Исследователи проанализировали уровни метилирования ДНК на гене рецептора кортизола в гиппокампе этих образцов. Согласно полученным ими результатам, метилирование ДНК оказалось выше в образцах мозга тех людей, которые в раннем детстве испытали на себе равнодушное отношение или жестокое обращение. И, напротив, уровни метилирования ДНК этого гена были относительно низкими у тех покончивших с собой людей, которые избежали в детстве психологических травм[212]. Высокие уровни метилирования ДНК у жертв насилия понижали экспрессию гена рецептора кортизола, что делало отрицательную петлю обратной связи менее эффективной и повышало уровни циркуляции кортизола. Эти результаты вполне соотносятся с выводами, сделанными на основе экспериментов с крысами, когда у подверженного стрессам потомства «равнодушных» матерей обнаруживались высокие уровни метилирования ДНК на гене рецептора кортизола в гиппокампе.

Разумеется, психические заболевания развиваются не только у тех людей, которые в детстве подвергались жестокому обращению со стороны взрослых. Глобальные цифры говорят о том, что депрессия приобретает просто устрашающий размах. По оценкам Всемирной организации здравоохранения свыше 120 миллионов человек в мире подвержены депрессиям. Ежегодно в мире регистрируется около 850 тысяч случаев самоубийств, обусловленных депрессиями. По прогнозам это расстройство к 2020 году займет второе место в мире среди наиболее распространенных заболеваний[213].

Огромный шаг вперед в эффективном лечении депрессий был сделан в начале 1990-х годов, когда Управление по контролю за продуктами и лекарствами выдало в США лицензию на производство серии препаратов под названием СИОЗС — селективный ингибитор обратного захвата серотонина. Серотонин является нейротрансмиттерной молекулой — он передает сигналы от одного нейрона к другому. Серотонин выделяется в мозг в ответ на приносящие удовольствие раздражители; это та самая «молекула счастья», которую мы уже встречали у довольных жизнью крысят.

У людей, страдающих депрессией, уровни серотонина в головном мозге низкие. Лекарственные препараты СИОЗС повышают уровни серотонина в мозге.

В идее, что средства, повышающие уровни серотонина, могут быть полезны при лечении депрессии, присутствует здравый смысл. Однако в их действии наблюдается нечто странное. Уровни серотонина в мозге повышаются довольно быстро, когда пациенты принимают препараты СИОЗС, однако обычно требуются не менее четырех-шести недель, чтобы ужасные симптомы тяжелой депрессии начали проходить.

Это заставляет предположить, что депрессия не обусловлена лишь снижением в мозге уровней единственного химического вещества, что, впрочем, и не удивительно. Не бывает так, чтобы депрессия поражала человека мгновенно; это не грипп, с которым можно слечь за одну ночь. На сегодняшний день мы располагаем внушительным количеством фактов, подтверждающих, что при развитии депрессии в мозге происходят весьма растянутые во времени изменения. В их число входят и изменения в количестве контактов, которые осуществляют между собой нейроны. А это, в свою очередь, непосредственно зависит от уровней химических веществ, которые называются нейротрофическими факторами[214]. Эти химические вещества поддерживают здоровье и функциональность клеток мозга.

Исследователи, занимающиеся изучением депрессии, отошли от простой модели, основанной на уровнях нейротрансмиттеров, предпочтя ей более сложную сетевую систему. Она включает в себя сложную взаимозависимость между активностью нейронов и целым рядом других факторов. В их число входят стресс, продукция нейротрансмиттеров, их воздействие на экспрессию генов и долгосрочное влияние на нейроны, равно как и взаимодействие всех этих факторов между собой. Пока эта система находится в равновесии, мозг работает нормально. Если система выходит из равновесия, эта сложнейшая сеть начинает распадаться, вследствие чего в мозге происходит сбой биохимических и функциональных процессов, вызывая расстройства и болезни.

Ученые, работающие в этой области, постепенно все больше внимания начинают обращать на эпигенетику благодаря тому богатому потенциалу, которым она располагает для создания и поддержания долгосрочных схем экспрессии генов. Грызуны представляют собой наиболее распространенные модельные системы для таких исследований. Поскольку мыши или крысы не могут рассказать нам, как они себя чувствуют, ученые разрабатывают определенные поведенческие тесты, используемые для моделирования различных аспектов депрессии у человека.

Все мы понимаем, что разные люди реагируют на стресс по-разному. Одни, как представляется, способны справляться с ним достаточно уверенно. Другие крайне тяжело воспринимают те же самые стрессовые ситуации, в результате чего у них и развивается депрессия. Мыши, принадлежащие к разным инбредным линиям, ведут себя во многом точно так же. Ученые воздействовали на две различные линии мышей раздражителем, вызывающим умеренный стресс. После моделирования стрессовой ситуации исследователи анализировали поведение мышей с помощью тестов, имитирующих определенные аспекты депрессии у человека. Одна линия оставалась относительно спокойной, тогда как другая проявляла относительную озабоченность. Исследователи условно обозначили эти линии как В6 и BALB, но мы для удобства будем называть их «спокойными» и «нервными» соответственно.

Главным объектом исследований ученые выбрали участок головного мозга, который называется прилежащее ядро. Этот участок играет важную роль в функциях мозга, связанных с проявлением эмоций, таких как агрессия, страх, удовольствие и удовлетворение. Исследователи проанализировали экспрессию различных нейро-трофических факторов в прилежащем ядре. Наиболее интересным с точки зрения полученных результатов стал ген под названием Gdnf (от английского glial cell-derived neurotrophic factor, то есть глиальный клеточный нейротрофический фактор).

Стресс вызывал повышение экспрессии гена Gdnf у спокойных мышей. У нервных мышей он же становился причиной снижения экспрессии того же гена. Далее, различные инбредные линии мышей могут иметь разные коды ДНК, поэтому ученые проанализировали область промотора, который контролирует экспрессию Gdnf. Последовательность ДНК на промоторе Gdnf оказалась идентичной как у мышей «спокойной», так и «нервной» линий. Но когда исследователи изучили эпигенетические модификации этого промотора, то здесь были выявлены определенные отличия. Гистоны нервных мышей имели меньше ацетиловых групп, нежели гистоны спокойных животных. Как мы уже знаем, низкие уровни ацетилирования гистонов ассоциируются с низкими уровнями экспрессии генов, так что это вполне соответствовало снижению экспрессии Gdnf у нервных мышей.

Эти данные заставили ученых задуматься, что же произошло в нейронах прилежащего ядра. Почему уровни ацетилирования гистонов в гене Gdnf нервных мышей понизились? Когда исследователи проанализировали уровни ферментов, присоединяющих ацетиловые группы к гистонам или удаляющих их, то обнаружили только единственное различие между двумя линиями мышей. Некая гистондеацетилаза (принадлежащая к классу белков, удаляющих ацетиловые группы) под названием Hdac2 намного активнее экспрессировалась в нейронах нервных мышей[215] по сравнению с теми же показателями у спокойных мышей.

Другая группа исследователей изучала мышей в другой модели депрессии под названием «социальное унижение». В ходе этих экспериментов мыши ставились в условия, «принижающие их статус». Их помещали в среду, где они не имели возможности скрыться от крупной, угрожавшей их безопасности мыши, однако ученые всегда освобождали мышей, прежде чем дело успевало дойти до физической расправы. Для одних мышей такая ситуация оказывалась очень стрессовой, другие переживали ее с кажущимся безразличием.

В этих экспериментах взрослые мыши подвергались «социальному унижению» на протяжении десяти дней. По окончании этого срока психика животных классифицировались как восприимчивая или устойчивая, в зависимости от того, насколько тяжело или легко мышам удавалось пережить этот опыт. Две недели спустя поведение мышей тщательно анализировалось. У мышей с устойчивой психикой определяли нормальные уровни кортикотропин-высвобождающего гормона. Это химическое соединение, выделяемое гипоталамусом и являющееся тем веществом, которое в конечном итоге стимулирует продукцию кортизола, гормона стресса. Восприимчивые мыши демонстрировали высокие уровни кортикотропин-высвобождающего гормона и низкие уровни метилирования ДНК на промоторе этого гена. Эти данные согласовывались с высокими уровнями экспрессии гена. У них также оказались пониженные уровни Hdac2 и повышенные уровни ацетилирования гистонов, что опять же полностью соответствовало активной экспрессии кортикотропин-высвобождающего гормона[216].

Может показаться странным, что в одной модельной системе уровни Hdac2 у восприимчивых мышей повышались, тогда как в другой — понижались. Но, имея дело с разнообразными эпигенетическими явлениями, всегда необходимо помнить об их совокупном влиянии. Не существует какого-либо единственного способа, которым могли бы контролироваться уровни Hdac2 (как и уровни любого другого эпигенетического гена, если уж на то пошло). Контроль над ними зависит от участка мозга и точности действия сигнальных систем, активируемых в ответ на раздражитель.

Существуют и другие весомые доказательства ключевой роли эпигенетики в реакциях на стресс. Обычно нервные мыши категории В6 демонстрируют повышенную экспрессию Hdac2 в прилежащем ядре и пониженную экспрессию гена Gdnf. Мы можем давать этим мышам САГК, ингибитор гистондеацетилазы. Присутствие в организме САГК ведет к повышению ацетилирования промотора Gdnf что в свою очередь, способствует повышению экспрессии гена Gdnf. В результате применения этого препарата мыши перестают нервничать и успокаиваются[217], т. е. изменение уровней гистонового ацетилирования гена влияет на поведение мышей. Это может служить полноценным подтверждением теории о том, что ацетилирование гистонов имеет действительно большое значение для формирования реакции этих мышей на стресс.

Один из тестов, которыми пользуются для определения степени депрессии, испытываемой мышами в стрессовых ситуациях, называется тестом сахарозного предпочтения. В обычных условиях мыши любят подслащенную воду, однако в состоянии депрессии эта наклонность проявляется у них в значительно меньшей степени. Такое снижение реакции на приятный раздражитель называется ангедонией. Именно она, как представляется, может служить одним из основных соответствий между последствиями депрессий у животных и человека[218]. Большинство людей, испытывающих тяжелые депрессии, жалуются на утрату интереса ко всему, что делало их жизнь радостной и яркой до заболевания. Когда подверженным стрессам мышам давали антидепрессанты СИОЗС, их интерес к подслащенной воде постепенно начинал возвращаться, но если им давали САГК — ингибитор ГДАЦ, то их влечение к любимому напитку восстанавливалось значительно быстрее[219].

Ингибиторы гистондеацетилазы, способные изменить поведение животных, влияют не только на нервных или спокойных мышей. Они же актуальны и для новорожденных крысят, обделенных любовью и лаской своих матерей и растущих в состоянии хронического стресса, при котором наблюдается сверхактивное производство кортизола. Если эти «нелюбимые» матерями малыши получают ТСА, первый из обнаруженных ингибиторов гистондеацетилазы, то оказывается, что они значительно меньше подвержены стрессам и на раздражители реагируют практически так же, как животные, воспитывавшиеся в материнской любви. Уровни метилирования ДНК на гене рецептора кортизола в гиппокампе снижаются, в результате чего повышается экспрессия этого рецептора и улучшается чувствительность важнейшего фактора — отрицательной петли обратной связи. Считается, что это происходит вследствие перекрестного взаимодействия между схехмами гистонового ацетилирования и метилирования ДНК[220].

В исследованиях на мышиной модели «социального унижения» восприимчивые к стрессам животные получали антидепрессанты СИОЗС. Через три недели приема препарата их поведение уже в большей степени соответствовало поведению устойчивых к стрессам животных. Однако применение этих антидепрессантов приводило не только к повышению уровней серотонина в головном мозге. Результатом его становилось и увеличение метилирования ДНК на промоторе кортикотропин-высвобождающего гормона.

Все эти исследования в полной мере согласуются с моделью, согласно которой существуют перекрестные взаимодействия между мгновенными сигналами с нейротрансмиттеров и долгосрочным влиянием на клеточные функции эпигенетических ферментов. Когда испытывающие депрессию пациенты получают препараты СИОЗС, уровни серотонина у них в головном мозге начинают повышаться, и направляемые на нейроны сигналы становятся более мощными. Из экспериментов с животными, описанных в предыдущем абзаце, следует, что этим сигналам требуется несколько недель для запуска всех цепей, чтобы в конечном итоге привести к изменению схемы эпигенетических модификаций в клетках. Эта стадия необходима для восстановления нормального функционирования головного мозга.

Эпигенетика располагает также разумной гипотезой для объяснения и другой интересной, хотя и удручающей, особенности тяжелых депрессий. Если вы когда-либо страдали от депрессии, то у вас значительно больше шансов, чем в среднем, вновь испытать на себе в будущем это состояние. Вероятно, некоторые эпигенетические модификации чрезвычайно сложно обратить вспять, как и заставить нейроны быть менее восприимчивыми к следующему обострению болезни.

С этим все понятно. Все выглядит вполне соответствующим нашей теории о том, что жизненный опыт, постоянно накапливаясь, оказывает долгосрочное влияние на наше поведение, и происходит все это по эпигенетическим причинам. Однако проблема вот в чем: эта область, иногда называемая нейроэпигенетикой, является, пожалуй, наиболее спорной из всех эпигенетических исследований.

Чтобы просто получить представление о том, насколько много здесь противоречий, задумайтесь над следующим фактом. В нашей книге мы уже встречались с профессором Эдрианом Бердом. Во всем мире он считается главным авторитетом в области метилирования ДНК. Другой ученый, репутация которого в вопросах метилирования ДНК тоже не подвергается ни малейшим сомнениям, это профессор Тим Бестор из Медицинского центра Колумбийского университета в Нью-Йорке. Эдриан и Тим практически ровесники, они принадлежат к схожим физическим типам, оба вдумчивы и сдержаны в высказываниях. И они не согласны друг с другом едва ли не по любому вопросу, касающемуся метилирования ДНК. Отправьтесь на любую конференцию, где они оба принимают участие в работе одной секции, и вы гарантированно станете свидетелями страстной и вдохновенной дискуссии между этими двумя учеными мужами. Однако есть, пожалуй, единственный вопрос, в котором они публично придерживаются общего мнения, и касается он их крайне скептического отношения к некоторым сообщениям об открытиях в области нейроэпигенетики[221].

Существуют три причины, по которым они, как и многие их коллеги, настроены столь скептически. Первая из них заключается в том, что многие эпигенетические изменения, которые были замечены, относительно невелики. Скептики очень сомневаются, что такие несущественные молекулярные изменения могут привести к появлению явно выраженных фенотипов. По их мнению, только лишь наличие изменений не говорит о том, что они обязательно должны привести к какому-то функциональному результату, и они сомневаются в том, что изменения в эпигенетических модификациях носят всего лишь коррелятивный, а не каузативный характер.

Ученые, исследующие поведенческие реакции в различных системах с участием грызунов, в ответ на это отмечают, что в молекулярной биологии вся работа строится на исключительно искусственных экспериментальных моделях, на которых изучаются распространённые молекулярные изменения и на основании их делаются очень категоричные заключения. Сторонники бихевиоризма утверждают, что в силу этого молекулярные биологи не способны достаточно верно интерпретировать эксперименты из реальной жизни, результаты которых оказываются более «смазанными» и склонными к большей вариативности.

Вторая причина скептицизма лежит в очень локализованной природе эпигенетических изменений. Стресс в младенческом возрасте воздействует на определенные участки мозга, такие как прилежащее ядро, оставляя другие нетронутыми. Эпигенетические метки меняются только на одних генах, но не на других. Это кажется менее веской причиной для скептицизма. Хотя обычно мы оперируем термином «мозг», на самом деле этот орган обладает множеством в высшей степени специализированных центров и участков, являющихся продуктом сотен миллионов лет эволюции. Так или иначе, все эти самостоятельные области формировались и совершенствовались в процессе эволюции, сохранив за собой способность разным образом реагировать на внешние раздражители. В равной степени это относится и ко всем нашим генам во всех наших тканях. Действительно, мы не до конца понимаем, каким образом эпигенетические модификации настолько точно определяют свои мишени и каким образом сигналы, поступающие от таких химических веществ как нейротрансмиттеры, достигают этих мишеней. Но мы знаем, что подобные специфические явления происходят в процессе нормального развития, — так почему бы им не иметь места в аномальные периоды стрессов или других средовых катаклизмов? Только то, что нам неизвестен механизм какого-либо явления, отнюдь не означает, что этого явления не существует. В конце концов, Джон Гердон не знал, как зрелые ядра перепрограммируются цитоплазмой яйцеклетки, но это не значит, что сделанные им во время экспериментов открытия были ошибочными.

Третья — и, пожалуй, наиболее важная — причина скептицизма непосредственно связана с самим метилированием ДНК. Метилирование ДНК генов-мишеней в мозге у грызунов происходит, возможно еще до рождения, но совершенно точно — уже в первый день жизни. А означает это то, что участвовавшие в экспериментах новорожденные мыши или крысы начинали свою жизнь уже с определенной базовой схемой метилирования ДНК гена рецептора кортизола в гиппокампе. Уровни метилирования ДНК на этом промоторе меняются через первую неделю жизни в зависимости от заботы и ласки, которые получают новорожденные крысята от матерей. Как мы видели, уровни метилирования ДНК оказались выше у обделенных любовью мышат, нежели у их пользующихся вниманием матери сверстников. Но причина этого не в том, что у «нелюбимых» малышей уровни метилирования ДНК повышаются. Напротив, дело в том, что уровни метилирования ДНК понижаются у тех юных грызунов, которых обласкивают матери. Это же справедливо и в отношении гена аргинин-вазопрессина у новорожденных мышат, отлученных от матерей. То же самое мы можем сказать и о гене кортикотропин-высвобождающего гормона у взрослых мышей, подвергнутых тесту «социального унижения».

Итак, то, что наблюдали ученые в каждом случае, было понижением уровней метилирования ДНК в ответ на раздражитель. И, с молекулярной точки зрения, именно в этом и состоит проблема, поскольку никому не известно, как это происходит. В главе 4 мы рассматривали, как копирование метилированной ДНК приводит к тому, что на одной цепочке оказываются метиловые группы, тогда как на другой они отсутствуют. Фермент ДНМТ1 движется вдоль только что синтезированной цепочки и добавляет к ней метиловые группы, восстанавливая схему метилирования и используя в качестве образца исходную цепочку. Мы можем предположить, что у наших экспериментальных животных наблюдался недостаток фермента ДНМТ1, и поэтому уровни метилирования на гене падали. Это явление называется пассивным деметилированием ДНК.

Проблема в том, что в случае с нейронами этот механизм не работает. Нейроны принадлежат к необратимо дифференцированным клеткам — они находятся на самом дне уоддингтоновского ландшафта и не способны к делению, поэтому не копируют свою ДНК, так как для этого просто нет причин, как следствие, нейроны не могут утратить метилирование ДНК описанным в главе 4 способом.

Существует возможность, что нейроны просто удаляют метиловую группу с ДНК. В конце концов, ведь гистондеацетилазы удаляют ацетиловые группы с гистонов. Однако метиловая группа на ДНК представляет собой нечто иное. С химической точки зрения ацетилирование гистонов можно приблизительно сравнить с добавлением маленького кирпичика Лего к более сложной конструкции. Снова разделить их на самостоятельные элементы довольно просто. При метилировании ДНК сделать это невозможно. Метилирование ДНК больше похоже на соединение двух элементов Лего в одно целое супермощным клеем.

Химическая связь между метиловой группой и цитозином в ДНК настолько сильна, что долгие годы она считалась абсолютно неразрывной. В 2000 году группа исследователей из Института Макса Планка в Берлине показала, что это не так. Ученые продемонстрировали, что у млекопитающих на самых ранних стадиях развития отцовский геном претерпевает экстенсивное деметилирование ДНК. Мы уже встречались с ним в главах 7 и 8. Тогда мы только упомянули, что это деметилирование происходит прежде, чем зигота начинает делиться. Другими словами, метилирование ДНК удаляется без какого-либо копирования ДНК[222]. Это называется активным деметилированием ДНК.

А это значит, что существует прецедент удаления метилирования ДНК в неделящихся клетках. Возможно, в нейронах действует подобный механизм. По-прежнему не умолкают споры о том, как именно происходит активное удаление метилирования ДНК, даже на хорошо изученных этапах раннего развития. Еще более существенные разногласия наблюдаются в вопросе, как это происходит в нейронах. Одна из причин, по которым это настолько сложно установить, заключается в том, что в процесс активного деметилирования ДНК вовлечены самые разнообразные белки, осуществляющие этот процесс поэтапно и в строгой последовательности. Все это предельно затрудняет воспроизведение всего процесса в лабораторных условиях, что является золотым стандартом для подобного рода исследований.

Научные исследования, чему мы уже неоднократно были свидетелями, часто приводят к совершенно неожиданным открытиям, что и произошло в данном случае. Пока множество эпигенетиков искали фермент, удаляющий метилирование ДНК, одна из групп исследователей обнаружила ферменты, добавляющие нечто особенное к метилированной ДНК. Как это происходит, показано на рисунке 12.3. Самым удивительным стало то, что это явление привело практически к тем же последствиям, что и деметилирование нуклеиновой кислоты.

^{Рис. 12.3. Конверсия 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозин.С — углерод; Н — водород; N — азот; О — кислород. Для упрощения схемы некоторые атомы углерода намерено не показаны, но они присутствуют в местах соединения двойными линиями}

Маленькая молекула под названием гидроксил, состоящая из одного атома кислорода и одного атома водорода, добавляется к метиловой группе, и в результате этого образуется 5-гидроксиметилцитозин. Эта реакция осуществляется ферментами ТЕТ1, ТЕТ2 или TET3[223].

Это имеет большое значение для вопроса о деметилировании ДНК, так как именно последствия метилирования ДНК делают эту трансформацию важной. Метилирование цитозина воздействует на экспрессию гена, поскольку метилированный цитозин связывает определенные белки, такие как МеСР2. МеСР2 во взаимодействии с другими белками подавляет экспрессию гена и вызывает другие репрессивные модификации, такие как деацетилирование гистонов. Когда какой-либо фермент, такой как ТЕТ1, добавляет гидроксильную группу к метилцитозину для образования молекулы 5-гидроксиметилцитозина, это меняет форму эпигенетической модификации. Если метилированный цитозин можно сравнить с виноградинкой на теннисном мяче, то 5-гидроксиметилцитозин условно похож на фасоль, приклеившуюся к виноградинке, прилипшей к теннисному мячу. Из-за такого изменения формы белок МеСР2 больше не может связываться с модифицированной ДНК. Таким образом, клетка «считывает» 5-гидроксиметилцитозин точно так же, как она считывает неметилированную ДНК.

Многие методы, применявшиеся до недавнего времени, были направлены на поиски присутствия метилирования ДНК, однако с их помощью часто нельзя было выявить различия между неметилированной ДНК и 5-гидроксиметилированной ДНК. Это значит, что многие доклады, в которых сообщалось о пониженном метилировании ДНК, возможно, содержали в себе ошибку, и ученые, сами того не подозревая, в действительности имели дело с повышенным 5-гидроксиметилированием. Хотя это на настоящий момент и не доказано, но, тем не менее, существует вероятность, что вместо фактического деметилирования ДНК, о котором сообщалось в некоторых докладах, посвященным исследованиям поведенческих реакций, на самом деле происходило преобразование нейронами 5-метилцитозина в 5-гидроксиметилцитозин. Методики для изучения 5-гидроксиметилцитозина пока еще находятся в стадии разработок, но нам точно известно, что в нейронах содержатся более высокие уровни этого химического вещества, нежели в любых других типах клеток[224].

Несмотря на все полемики и дебаты, исследования влияния эпигенетических модификаций для функций головного мозга активно продолжаются. Одной из областей, привлекающих к себе особое внимание, является память. Память представляет собой невероятно сложный феномен. В ней задействованы как гиппокамп, так и участок, называемый корой головного мозга, но выполняют они при этом различные функции. Гиппокамп, главным образом, отвечает за консолидирующую память — когда наш мозг сам решает, что ему следует запомнить. Гиппокамп довольно избирателен в способах, которыми он этого добивается, и складывается впечатление, что эти способы, управляемые совершенно особыми механизмами, связаны с кратковременными изменениями в метилировании ДНК. Кора головного мозга служит для долговременного хранения памяти. Когда воспоминания откладываются в коре головного мозга, в метилировании ДНК наблюдаются продолжительные изменения.

Кору головного мозга можно сравнить с жестким диском компьютера с объемом памяти в несколько гигабайт. Гиппокамп же скорее представляет собой микросхему ОЗУ (оперативного запоминающего устройства), где информация обрабатывается, прежде чем будет удалена или перемещена на жесткий диск для постоянного хранения. Наш мозг распределяет собственные различные функции между конкретными популяциями клеток в разных анатомических отделах. Вот почему потеря памяти редко бывает всеобъемлющей. Например, в зависимости от клинического состояния, может наблюдаться относительная утрата как кратковременной, так и долговременной память, или же и та и другая память может относительно не пострадать. То, что многочисленные и разнообразные функции головного мозга разделены между его разными отделами, имеет для нас огромное значение. Только представьте, какой стала бы наша жизнь, если бы мы помнили абсолютно все, что когда-либо случилось с нами — телефонный номер, который мы набрали однажды, каждое слово, которое услышали от случайного попутчика в поезде, или меню же в студенческой столовой в дождливую среду три года назад.

Сложность наших мнемонических систем и является одной из тех причин, по которым исследование памяти представляет собой весьма непростое занятие, поскольку довольно трудно поставить эксперимент, при котором мы были бы абсолютно уверены, какому именно аспекту памяти адресованы наши экспериментальные техники. Но нам совершенно точно известно, что в процессе памяти задействованы долговременные изменения экспрессии генов и способов, которыми нейроны создают между собой связи. И это в очередной раз заставляет нас выдвинуть гипотезу, что в этом свою немаловажную роль могут играть эпигенетические механизмы.

У млекопитающих и метилирование ДНК, и модификации гистонов участвуют в процессе запоминания и обучения. Исследования на моделях грызунов показали, что эти изменения могут быть направлены на очень специфические гены в обособленных участках головного мозга, что мы, собственно, и предполагали. Например, экспрессия белков ДНМТ3А и ДНМТ3Б метилтрансферазы ДНК повышается в гиппокампе взрослых крыс при определенных моделированиях процессов обучения и запоминания. Напротив, при введении тем же крысам ингибитора метилтрансферазы ДНК, такого как 5-азацитидин, формирование памяти блокируется, что отражается как в гиппокампе, так и в коре головного мозга[225].

При заболевании, которое называется синдромом Рубинштейна—Тэйби, у человека мутирует определенный ген гистон- ацетил-трансферазы (белка, добавляющего ацетиловые группы к гистонам). Частым симптомом этого расстройства является умственная отсталость. Мышам с мутировавшей версией этого гена, как мы и предполагали, также свойственны низкие уровни ацетилирования гистонов в гиппокампе. Кроме того, у них возникают серьезные проблемы при процессировании долговременной памяти в гиппокампе[226]. Когда этим мышам вводили САГК, ингибитор гистондеацетилазы, уровни ацетилирования в гиппокампе повышались, и способность к процессированию долговременной памяти улучшалась[227].

САГК способен подавлять многие различные гистондеацетилазы, однако в головном мозге одни из его мишеней представляются более важными, нежели другие. Двумя наиболее активно экспрессируемыми ферментами этого класса являются ГДАЦ1 и ГДАЦ2. Они различаются способами, которыми экспрессируются в головном мозге. ГДАЦ1 преимущественно экспрессируется в нейтральных стволовых клетках и во вспомогательных, защитных популяциях не-нейронов, которые называются глиальными клетками. ГДАЦ2 экспрессируется главным образом в нервных стволовых клетках[228], поэтому не приходится удивляться тому, что именно эта гистондеацетилаза наиболее важна для обучения и запоминания.

Мыши, нейроны которых сверхактивно экспрессируют Гдац2, отличаются слабой долговременной памятью, даже если обладают отличной кратковременной памятью. Мышам, нейроны которых не экспрессируют Гдац2 вообще, свойственна прекрасная память. Эти свидетельства указывают нам на то, что Гдац2 оказывает негативное влияние на хранение памяти. Нейроны, излишне активно экспрессирующие Гдац2, образуют значительно меньше связей, нежели нормальные, тогда как у нейронов, лишенных Гдац2, наблюдается противоположная ситуация. Это целиком соответствует нашей модели, согласно которой обусловленные эпигенетическими факторами изменения в экспрессии генов в конечном итоге приводят к изменению всего комплекса связей в головном мозге. САГК улучшает память мышей, активно экспрессирующих Гдац2, по той причине, что, очевидно, заглушает и нейтрализует его влияние на ацетилирование гистонов и экспрессию генов. САГК также способствует улучшению памяти и нормальных мышей[229].

В действительности, как представляется, повышение уровней ацетилирования в головном мозге непосредственно ассоциируется с улучшением памяти. Способности к обучению и запоминанию улучшались у мышей, содержавшихся в условиях, которые называются экологически многостимульными. Этот несколько витиеватый термин означает, что они имели доступ к двум «беличьим» колесам и даже к внутренней поверхности рулона туалетной бумаги. Уровни ацетилирования гистонов в гиппокампе и коре головного мозга повышались у мышей, живших в среде, где у них было больше возможностей для развлечений. Даже у этих мышей уровни ацетилирования гистонов и способности к запоминанию становились еще выше, если им давали САГК[230].

Как мы видим, здесь прослеживается определенная закономерность. В различных и многообразных модельных системах способности к обучению и запоминанию повышаются, когда животные получают ингибиторы метилтрансферазы ДНК и, в первую очередь, ингибиторы гистондеацетилазы. Из предыдущей главы мы узнали, что уже существуют лицензированные лекарственные препараты в обоих этих классах, такие как 5-азацитидин и САГК соответственно. Было бы очень любопытно проверить эффективность этих противораковых препаратов в состояниях, где потеря памяти является основной клинической проблемой, таких как болезнь Альцгеймера. Возможно, мы могли бы использовать их и как общее средство улучшения памяти в более широких масштабах.

К сожалению, подобные эксперименты сопряжены с серьезными проблемами. Эти препараты обладают такими побочными эффектами как резкий упадок сил, тошнота и высокий риск инфекций. Эти побочные эффекты считаются приемлемыми, если альтернативой им является неизбежная и скоропостижная смерть от рака, однако они будут рассматриваться как менее допустимые при лечении ранних стадий слабоумия, когда качество жизни пациентов относительно удовлетворительное. И, конечно же, подобные побочные эффекты ни в коем случае не приемлемы при лечении большинства групп людей.

Есть и другая проблема. Многие из этих препаратов довольно сложно доставить в головной мозг. В экспериментах с грызунами эти средства обычно вводятся непосредственно в мозг, часто в строго определенный его участок, такой как гиппокамп. Для людей такой способ едва ли можно назвать подходящим.

Существуют лишь несколько видов ингибиторов гистондеацетилазы, которые можно доставить в мозг. Препарат под названием натрий вальпроат уже на протяжении десятилетий применяется для лечения эпилепсий, а для этого он непременно должен проникнуть в мозг. Совсем недавно мы поняли, что это химическое соединение также является и ингибитором гистондеацетилазы. Было бы чрезвычайно заманчиво попытаться применить эпигенетические препараты для лечения болезни Альцгеймера, но, к сожалению, натрий вальпроат очень слабо подавляет гистондеацетилазы. Все эксперименты на животных, касающиеся способностей к обучению и запоминанию, свидетельствуют, что сильные ингибиторы действуют значительно продуктивнее слабых при выполнении поставленных перед ними задач.

Если нам удастся создать эффективные лекарственные средства, то эпигенетическая терапия окажется чрезвычайно эффективной отнюдь не только для лечения таких состояний как болезнь Альцгеймера. От 5 до 10 процентов людей, регулярно употребляющих кокаин, испытывают непреодолимую тягу к этому наркотику, поскольку у них развивается кокаиновая зависимость. Подобный эффект наблюдается и у грызунов, получающих неограниченный доступ к этому препарату. Привыкаемость к стимуляторам, таким как кокаин, представляет собой классический пример образования аномальных связей в мозге между воспоминанием и вознаграждением. Такие аномальные адаптации регулируются долгосрочными изменениями экспрессии генов. Формированию привыкаемости способствуют изменения в метилировании ДНК и в том, как это метилирование прочитывается МеСР2. Это происходит в результате целого комплекса не до конца изученных взаимодействий между сигнальными факторами, модифицирующими ДНК и гистоны ферментами и микроРНК. Подобные схемы лежат и в основе привыкаемости к амфетаминам[231][232].

Если же вернуться к вопросу, с которого мы начинали эту главу, то все согласятся с тем, что одна из главных задач, стоящих перед нами, заключается в необходимости не допустить того, чтобы дети, пережившие травму, в зрелом возрасте подвергались существенно более высокому, чем в среднем, риску развития психических заболеваний. Было бы очень заманчиво считать, что мы можем воспользоваться эпигенетическими лекарственными препаратами для повышения их шансов на счастливую и качественную жизнь. К сожалению, одна из проблем лечения детей, испытавшим на себе жестокое обращение или равнодушное отношение, состоит в том, что мы не можем с достаточной вероятностью предугадать, кто из них в зрелом возрасте будет предрасположен к таким отклонениям, а на кого негативный детский опыт не окажет своего разрушительного влияния. В конце концов, ни один врач не имеет права назначать ребенку препарат, если он не абсолютно уверен, что ребенок нуждается в лечении. Кроме того, клинические испытания, призванные определить, действительно ли эти лекарственные средства быть реально эффективными, придется проводить в течение десятилетий, что делает их экономически невыгодными практически для любой фармацевтической компании.

Однако не хотелось бы заканчивать эту главу на минорной ноте. И потому я предложу вашему вниманию чудесную историю на тему связи эпигенетического события с поведением. Есть такой ген под названием Grb10, участвующий в разнообразных сигнальных схемах. Это импринтинговый ген, и в мозге экспрессируется только его унаследованная от отца копия. Если мы репрессируем эту отцовскую копию, в организме мышей перестанет вырабатывать белок Grb10, вследствие чего у животных развивается очень необычный фенотип. Они начинают выщипывать шерсть на мордочке и усики у других мышей, содержащихся с ними в одной клетке. Это своего рода агрессивная чистка сородичей, подобная порядку клевания у кур. Кроме того, при встрече с более крупной незнакомой мышью обладатели мутировавшего гена Grb10 не отступают, а отстаивают свою территорию[233].

Подавление гена Grb10 приводит к развитию у мыши довольно впечатляющей «наступательной» манере поведения. Может даже показаться странным, что в обычных условиях этот ген у них не задействован. Разве не стали бы мыши с подавленным Grb10 более «мужественными» и успешными представителями своего племени? Однако на самом деле они с куда большей вероятностью были бы теми мышами, которым доставались бы все шишки. В мире достаточно много мышей, и они, встречаясь, взаимодействуют довольно часто. И за несоблюдение субординации всегда приходится платить.

Когда ген Grb10 в головном мозге мыши подавлен, в жизни ее наступает черная полоса. Чтобы вам стало понятнее, в чем она выражается, давайте перенесем эту ситуацию в более привычный нам мир людей. Зайдя в пивной бар, вы только успели взять со стойки долгожданный бокал, как некто, вдвое превышающий вас размерами и целиком состоящий из бугрящихся мышц, случайно задевает вас плечом, и все ваше пиво выплескивается на пол. Когда ген Grb10 подавлен, вы словно слышите голос своего верного друга, который говорит: «Ну-ка, всыпь ему! Ты же настоящий мужчина, так что не давай ему спуску!» Нам всем хорошо известно, насколько плачевно завершаются истории, развивающиеся по такому сценарию. Так что лучше давайте закончим эту шаву словами благодарности в адрес импринтингового гена Grb10, любящего повторять: «Не обращай внимания, приятель, оно того не стоит».