Телесный разум. Как тело влияет на наши мысли, чувства и воспоминания

Спустя 10 лет после публикации статьи Кэрнса профессор биологии Университета Индианы П. Л. Фостер написал: «Многие последующие исследования показали, что частота мутаций может варьироваться и что их количество увеличивается во время определенных стрессов, таких как недостаток пищи». Это явление получило название «адаптивная мутация» [28] . Сегодня исследование адаптивных мутаций трансформировалось в эпигенетику, и ими заинтересовалась едва ли не каждая университетская лаборатория [29] .

28

Адаптивная мутация: Foster, P.L. (1999). «Mechanisms of stationary phase mutation: a decade of adaptive mutation.» Annual Review of Genetics, 33,57–88.

29

Мутации – это процесс, затрагивающий саму структуру генетического кода, последовательность генов в ДНК. Эпигенетические изменения структуру ДНК не меняют.

Любимое животное генетиков для изучения – C. еlegans – примитивный червь длиной около 1 мм, обитающий в почве. В период с октября 1994 по январь 1995 года в международных журналах о нем появилось 73 научные статьи. C. elegans [30] является привлекательным и эффективным модельным организмом для исследований, потому что с ним легко работать в лаборатории, он почти не требует пищи и в течение нескольких дней производит большое количество потомства путем самооплодотворения.

30

Научные статьи о C. elegans: CBS C-elegans .

Червь понимается как отдельный организм, который подвергается сложному процессу морфогенеза [31] . У него есть нервная система с «мозгом» (кольцом окологлоточного нерва), он демонстрирует определенное упорядоченное поведение, способен к элементарному обучению, а также производит сперму и яйцеклетки, благодаря чему спаривается и размножается. Все 959 соматических клеток его прозрачного тела видны под микроскопом, а средняя продолжительность его жизни составляет всего 2–3 недели. Важно отметить, что у червей и людей совпадает до 80 % генов [32] . Неудивительно, что примерно половину всех известных генов, задействованных в болезнях человека, также можно обнаружить и у C. elegans, а потому ученые с удовольствием экспериментируют над этим существом [33] .

31

Морфогенез – формирование организма посредством эмбриологических процессов дифференцировки клеток, тканей и органов и развития систем органов в соответствии с генетическим «планом» потенциального организма и условиями окружающей среды. https://www.britannica.com/science/morphogenesis.

32

Совпадает до 80 % генов: Gebauer, Juliane, Gentsch, Christoph, and Kaleta, Christoph, et al. (2016). «A Genome-Scale Database and Reconstruction of Caenorhabditis elegans Metabolism.» Cell Systems, 2(5), 312.

33

Что тем не менее не означает, что данные, полученные на этих червях, могут быть прямо экстраполированы на человека.

Например, ученые из Университета Дьюка провели исследование, посвященное последствиям голодания [34] . Они заставили голодать одну группу червей C. elegans в течение одного дня, а другую группу – в течение восьми дней на первой стадии личиночного развития. Когда подача пищи возобновлялась, черви, которых дольше морили голодом, росли медленнее и в итоге достигали меньших размеров и вырастали менее плодовитыми. Они также оказались более восприимчивыми ко второму приступу голода. Их потомство, унаследовав отличительные признаки родителей, родилось меньшим по размерам и численности и менее плодовитым, однако их дети и внуки оказались более устойчивыми к голоду, как будто пытаясь защититься от того, что навредило их предкам.

34

Последствиям голодания: Jobson, M. A., Jordan, J. M., Sandrof, M. A., Baugh. L. R., et al. (2015). «Transgenerational Effects of Early Life Starvation on Growth, Reproduction and Stress Resistance in Caenorhabditis elegans.» Genetics, 201(1), 201–212.

Эпигенетика завоевала доверие научного сообщества, когда несколько десятилетий назад исследователи изучали детей, выношенных в период голода в конце Второй мировой войны в Нидерландах [35] . Исследователи обнаружили на одном из генов детей определенную химическую метку (или, как ее еще называют, эпигенетическую сигнатуру). Исследователи связали это открытие с различиями в состоянии здоровья детей: они росли хуже, чем дети других возрастов, и имели массу тела выше средней. Их дети также были меньше ростом и более восприимчивы к диабету, ожирению и сердечно-сосудистым заболеваниям, и эти изменения были заметны в течение трех последующих поколений.

35

Период голода в конце Второй мировой войны в Нидерландах: Tobi, Elmar W., Slieker, Roderick C., Xu, Kate M., et al. (2018). «DNA methylation as a mediator of the association between prenatal adversity and risk factors for metabolic disease in adulthood.» Science Advances, 4(1).

Не только недостаток пищи может подобным образом повлиять на потомство: как показало британское исследование, проведенное в Бристольском университете, это может быть связано и с бедностью [36] . Исследователи отобрали 40 мужчин, родившихся в 1958 году: одна половина выросла в богатых семьях, а другая – в бедных. В исследовании испытуемых выбрали из верхних и нижних 20 % общества в соответствии с социально-экономическим статусом, чтобы убедиться, что будут представлены примеры обеих крайностей. Сосредоточив внимание на участках ДНК, называемых промоторными областями [37] , что переводится как «включатели», команда исследовала более 20 000 участков по всему геному.

36

Это может быть связано и с бедностью: Pembrey, M., Saffery, R. and Bygren, L. O. (2015) «Network in Epigenetic Epidemiology. Human transgenerational responses to early-life experience: potential impact on development, health and biomedical research.» Journal of Medical Genetics, 51, 563–572.

37

Промоторными областями: Borghol, N., Suderman, M., McArdle, W., Racine, A., Hallett, M., Pembrey, M., Szyf, M., et al. (2012). «Associations with early-life socio-economic position in adult DNA methylation.» International Journal of Epidemiology, 41(1), 62–74.

Почти на одной и той же трети участков у представителей групп получились совершенно разные модели. Что наиболее характерно, уровни метилирования резко отличались: 1252 участка у мужчин из бедных семей и лишь 545 участков у мужчин из богатых семей. Поскольку образцы брали в среднем возрасте, исследователи не могли точно сказать, когда добавились или исчезли эпигенетические метильные группы. Хотя возможно, что гены изменились в младенчестве, детстве или даже в зрелом возрасте, ученые, проводившие эксперименты, придерживались мнения, что эпигенетические изменения, которые они наблюдали в ДНК взрослого человека, стали в значительной степени результатом раннего жизненного опыта.

Сегодня наиболее распространенной хирургической процедурой у фертильных женщин является родоразрешение путем планового кесарева сечения. Однако беременные женщины или те, кто планирует создать семью, должны знать о следующих результатах многочисленных исследований: дети, рожденные путем кесарева сечения, подвергаются повышенному риску развития астмы, диабета первого типа, ожирения, целиакии, рака и подавления иммунного ответа [38] .

Исследуя это явление, молекулярные и клеточные биологи из известного Каролинского института в Швеции изучили эпигенетические изменения в пуповинной крови, взятой у детей, родившихся в срок после планового кесарева сечения и посредством вагинальных родов. В стволовых клетках крови младенцев из первой группы нашли больше метилированных участков ДНК, чем у младенцев, родившихся вагинально. Исследователи обнаружили специфические эпигенетические различия между группами в 343 областях ДНК, включая гены, которые, как известно, участвуют в процессах, контролирующих метаболизм и иммунодефицит. Эти исследования ясно показывают, что эпигеном младенца чувствителен к внутриутробной среде [39] и опыту рождения.

38

Причины этого до сих пор активно изучаются и могут быть связаны не с самим фактом кесарева сечения, а, например, с влиянием микробиома.

39

Эпигеном младенца чувствителен к внутриутробной среде: Almgren, Malin, Schlinzig, Titus, Gomez-Cabrero, David, Ekstr"om, Tomas J., et al. (2014). «Cesarean delivery and hematopoietic stem cell epigenetics in the newborn infant – implications for future health?» American Journal of Obstetrics and Gynecology, 211(5), 502.e1-502.e8; Schlinzig, T., Johansson, S., Gunnar. A., Ekstr"om, T. J., Norman, M. (2009). «Epigenetic modulation at birth – altered DNA-methylation in white blood cells after Caesarean section.» Acta Paediatrica, 98, 1096–1099.

Во время недавней пандемии COVID-19 ученые заметили, что, попадая в организм человека, вирус вел себя по-разному: у одних становился триггером серьезного заболевания, а у других не вызывал никаких симптомов. Описанное здесь ослабление иммунной системы, передавшееся через несколько поколений, может быть одним из непризнанных факторов, наряду с социально-экономическими, которые вызывают физический и психический стресс, что объясняет яркие различия при реакции на вирус.

Распространенность сложных заболеваний, таких как рак, диабет, ожирение, аутизм и врожденные дефекты, растет темпами, которые невозможно объяснить классической генетикой. Исследования на людях и животных убедительно свидетельствуют о том, что за это могут отвечать эпигенетические механизмы.

Социальная эпигенетика

Используя мышей в качестве модели для изучения рака молочной железы у человека, исследователи продемонстрировали, что негативный социальный опыт [40] (в данном случае – изоляция) вызывает усиленный рост опухоли. Полученные результаты также подтверждают предыдущие эпидемиологические исследования, предполагающие, что социальная изоляция приводит к росту смертности среди пациентов, страдающих хроническими заболеваниями, а клинические исследования доказали, что социальная поддержка улучшает результаты лечения больных раком. Присутствие сострадательных и заботливых людей [41] может изменить уровень экспрессии генов в самых разных тканях, включая мозг. Впрочем, недавний опыт борьбы с COVID-19 и без исследований убедил нас в истинности человеческой потребности во взаимодействии и общении.

40

Социальная изоляция: Conzen, Suzanne (2009). «Social isolation worsens cancer.» Institute for Genomics and Systems Biology. http://www.igsb.org/news/igsb-fellow-suzanne-d.-conzen-social-isolation-in-mice-worsens-breast-cancer.

41

Сострадательных и заботливых людей: Slavich, G. M. and Cole, S. W. (2013). «The emerging field of human social genomics.» Clinical Psychological Science, 1(3), 331–348.

Одним из самых красивых и творческих экспериментов, с которыми я сталкивался в своей профессиональной деятельности, является «Исследование перекрестного воспитания» [42] (Kidnapping-and-Cross-Fostering Study), разработанное Джином Робинсоном, директором Института геномной биологии Иллинойсского университета. Робинсон отобрал около 250 молодых пчел из двух ульев африканских пчел («пчел-убийц») и двух ульев европейских пчел (неопасных пчел) и нарисовал метки на спинах особей (не сам, разумеется, – аспиранты), чтобы невооруженным глазом определять их происхождение. Как только насекомые обзавелись потомством, его забрали и поместили в улей другого подвида [43] . Европейские медоносные пчелы, выращенные среди более агрессивных африканских пчел, не только стали такими же воинственными, как и их новые соседи по улью, – они стали генетически похожими на них. И наоборот. Этот эксперимент убедительно доказывает, что социальная среда может радикально изменить экспрессию генов и поведение за очень короткий срок.

42

Исследование перекрестного воспитания: Zayed, Amro and Robinson, Gene E. (2012). «Understanding the Relationship Between Brain Gene Expression and Social Behavior: Lessons from the Honey Bee.» Annual Review of Genetics, 46, 591–615.

43

Относительно предвзятости «двух ульев африканских пчел („пчел-убийц“) и двух ульев европейских пчел (неопасных пчел)». Пожалуйста, я никого здесь не пытаюсь обидеть. Исследование посвящено пчелам, а не людям.