Что такое эпигенетический откат
Что такое эпигенетический откат
Эпигенетика — новое, интенсивно развивающееся направление генетики. Эпигенетика представляет собой науку о наследуемых свойствах организма, которые не связаны с изменением собственно нуклеотидной последовательности ДНК и могут быть не прямо, а опосредованно закодированы в геноме. К числу известных эпигенетических механизмов (сигналы) относятся энзиматическое метилирование ДНК, гистоновый код (разные энзиматические модификации гистонов — ацетилирование, метилирование, фосфорилирование, убиквитинирование и т. д.) и «замалчивание» генов малыми РНК (miRNA, siRNA) [1]. Метилирование ДНК является одним из самых популярных эпигенетических механизмов, который осуществляется ДНК-метилтрансферазой по основанию цитозин в последовательности нуклеотидов CpG (5’-C-фосфат-G-3’), где С — цитозин, G — гуанидин. Около 70% промоторов человеческих генов характеризуется высоким содержанием последовательности CpG. Метилирование подавляет экспрессию генов, а деметилирование, наоборот, индуцируя ацетилирование гистонов и связанные с этим изменения от гетерохроматина к эухроматину, активирует транскрипцию генов. Накопление стресса усваивается как приобретенная информация, обозначаемая термином «эпигенетическая память», и может передаваться по наследству. С профилактической точки зрения крайне важным является раскрытие эпигенетических механизмов влияния образа жизни и условий существования организма на здоровье.
Цель исследования — провести анализ эпигенетических исследований влияния образа жизни на здоровье и болезни.
Материал и методы
Аналитическое исследование публикаций, представленных в электронных библиотеках PubMed, ResearchGate, e-library, CiberLeninka и др.
Результаты
История развития эпигенетических подходов к доказательству влияния образа жизни на здоровье и болезни. Работы Дэвида Баркера в 80—90-х гг. XX века заложили основу программирования риска хронических заболеваний взрослых в критический период формирования организма [2]. Д. Баркер [3] показал, что неадекватное снабжение организма ребенка питательными веществами или кислородом формирует резистентность к инсулину [3]. По мнению D. Lawlor и соавт. [4], внутриутробные воздействия определяют риск развития ишемической болезни сердца (ИБС) у взрослых, который при обратной связи с массой тела при рождении опосредуется резистентностью к инсулину. Сегодня теория «Истоки развития здоровья и болезней» (Developmental Origins of Health and Disease, DOHaD) предполагает, что экспозиция в ранний период развития организма играет решающую роль в определении риска метаболических заболеваний у взрослых, что доказано в эпигенетических исследованиях в отношении метаболических нарушений, ожирения и хронических заболеваний [5—8]. Дисрегуляция miРНК вызывает изменения в структуре генов, контролирующих воспаление, липидный обмен, резистентность к инсулину и адипогенез [9]. Современные представления о детском ожирении как составной части метаболического синдрома базируются на многофакторности его происхождения и ключевой роли эпигенетики в передаче риска ожирения потомству за счет генетического наследования однонуклеотидных полиморфизмов в локусах адипокинов и их рецепторов и влияния микробиоты кишечника, участвующей в регуляции массы тела [10].
Эпигенетические механизмы программирования состояния здоровья потомства, обусловленные питанием матери во время зачатия и беременности. Питание матери во время зачатия ребенка и в период его раннего развития может эпигенетическим путем инициировать метаболические сдвиги у потомства, известные как «программирование питанием». Драматический рост распространенности аллергических заболеваний связывают с пищевым программированием специфически уязвимой в раннем возрасте иммунной системы. Глубокое понимание эпигенетики и других биологических процессов в раннем возрасте может привести к разработке диетических стратегий, обеспечивающих более устойчивое состояние именной системы в ранний период и снижающих бремя многих воспалительных заболеваний, а не только аллергии [11].
В опытах на животных показано, что сниженная калорийность питания матери эпигенетически индуцирует усиление возрастной непереносимости глюкозы у поросят [12]; добавка бетаина беременным свиньям увеличивает содержание холестерина в печени неонатальных поросят посредством эпигенетических правил метаболических генов холестерина [13]. Долгосрочное потребление высоких доз никотинамида (витамина РР) самками крыс, в том числе при беременности, может быть фактором риска метаболических аномалий у потомства, связанных с метилированием генов и инсулинорезистентностью, а фолиевой кислоты — увеличивает опухолевый генез молочной железы, но снижает риск колоректального рака и ряда врожденных дефектов сердца у потомства [14—16]. Введение 150 мг фолиевой кислоты в яйца улучшает рост бройлеров и укрепляет взаимосвязь между иммунной функцией и эпигенетической регуляцией иммунных генов путем изменения конформации хроматина и метилирования промотеров гистонов [17]. У людей эффект воздействия фолиевой кислоты на эпигенетическую регуляцию фосфоенолпируваткарбоксикиназы — ключевого фермента в образовании глюкозы из пировиноградной кислоты и гомеостаза глюкозы зависит от периода жизненного цикла и пола [18]. Материнский статус фолата, регулируемый диетическими и генетическими факторами на ранних стадиях беременности, предположительно может влиять на риск расстройств аутистического спектра у людей, однако данные об эпигенетическом воздействии пока ограниченны [19].
Таким образом, сердечно-сосудистая патология, ожирение, аутоиммунные проявления, сахарный диабет (СД) и предположительно аутизм эпигенетически связаны с образом жизни матери, пренатальным и постнатальным периодами, относимыми к критическим в отношении здоровья в будущем, и могут регулироваться такими пищевыми компонентами, как фолаты и фолиевая кислота.
Эпигенетические механизмы старения. Старение как совокупность изменений, постепенно увеличивающих вероятность смерти, с эпигенетической точки зрения характеризуется воспроизводимым в независимых выборках гипометилированием CpG-последовательностей [20]. Возрастные изменения эпигенетических меток могут приводить к снижению иммунной функции, что способствует увеличению заболеваемости пожилых людей, для поддержания здоровья которых здоровый образ жизни (ЗОЖ) на протяжении всей жизни, учитывая пожизненную эпигеномную регуляцию во врожденных иммунных клетках, в лимфоцитах Т- и В- под действием внутренних и внешних факторов, может быть самым эффективным способом профилактики заболеваний [21, 22].
Естественные возрастные изменения, приводящие к высококонкурентной экспрессии генов с явными последствиями для клеточной дифференциации и риском начала заболевания, играют несомненную роль в формировании болезней сердечно-сосудистой системы. Модифицируемые и немодифицируемые факторы риска эпигенетически изменяют экспрессию генов в возрасте, ускоряя эпигенетические «часы», прежде избавлявшие человека от сердечно-сосудистых заболеваний. Ускоренное сосудистое старение и, как следствие, снижение возрастного порога заболевания, обусловленное эпигенетическим возрастом, не совпадающим с хронологическим, вызывает серьезную озабоченность. Вместе с тем адекватное питание и физическая активность оказывают синергическое воздействие на здоровье сердечно-сосудистой системы, представляя собой мощную потенциальную эпигенетическую точку вмешательства с целью коррекции управленческих стратегий в отношении сердечно-сосудистой системы, направленных на «хорошее старение» [23]. Детальное изучение дисрегулированных эпигенетических механизмов, связанных с СД и его сосудистыми осложнениями (кардиомиопатия, нефропатия, ретинопатия, синдром диабетической стопы), может раскрыть столь необходимые новые лекарственные мишени для профилактики сосудистых заболеваний в целом [24, 25].
Одним из примеров профилактики возрастных изменений может служить длительный прием фолиевой кислоты пожилыми здоровыми людьми, вызвавший глобальное метилирование ДНК, причем, несмотря на препозицию связи нейродеструктивных процессов с аберрантным метилированием ДНК в лейкоцитах, когнитивные способности пожилых только улучшились [26]. Однако не только внешние воздействия, но и генетические факторы влияют на эпигеномные изменения. Так, в лонгитюдном исследовании психических расстройств у пожилых жителей Австралии (n=1863) показано, что метилирование и модификация связи между депрессией и метилированием ДНК находятся под влиянием генетических вариантов ангиотензинпревращающего фермента, играющего ключевую роль в регуляции гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы [27].
Из 500 тыс. локусов, метилирование которых связано с риском смерти по причине рака, отобраны 10 участков CpG, строго коррелирующих с риском смерти [28]. Метилирование ДНК клеток крови по локусам AHRR, 6p21.33 и F2RL3 является прогностическим для развития рака легких и может быть использовано для идентификации групп риска при скрининге [29]. Идентифицированные локусы mQTLs, оказывающие влияние на метилирование участков CpG, имеют особое значение при их использовании в качестве маркеров метилирования ДНК в связанных с курением сравнительных популяционных исследованиях. H. Brenner [30] отмечает: «Неблагоприятный статус метилирования может измениться после прекращения курения, и риск смертности может значительно снизиться… Профилактика или вмешательство в состояния, связанные с курением (ДНК-метилирование), могут эффективно способствовать предупреждению преждевременной смерти, учитывая обратимость индуцированных курением метиломных аберраций». В эпигенетических исследованиях пациентов с колоректальным раком (n=1836) выявлены специфические изменения miРНК, связанные с опухолевыми проявлениями и косвенно определяющие выживаемость пациентов [31].
Таким образом, возрастные изменения связаны с активацией генов гипометилированием и иными эпигенетическими и генетическими модуляциями, что обусловливает снижение активности иммунной системы, сердечно-сосудистые болезни, СД и его сосудистые осложнения, депрессию и рак. Интервенции посредством изменения образа жизни могут снизить риск смерти и продлить здоровую жизнь пожилых людей благодаря эпигенетическим механизмам, обеспечивая популярную концепцию «хорошего старения». «Связь между диетой и эпигенетическими изменениями, с одной стороны, и между эпигенетическими изменениями и раком — с другой, подтверждается как обсервационными исследованиями на людях, так и опытами на животных. Однако вывод о том, что диета напрямую связана с эпигенетическими изменениями и что эти эпигенетические изменения непосредственно увеличивают или уменьшают риск развития рака человека, гораздо менее определен» [32].
Выявленные к 2011 г. эпигенетические механизмы, обеспечивающие влияние элементов образа жизни и среды на здоровье. К 2011 г. стало известно, что потребление фолатов, эпигаллокатехин-3-галлатов зеленого чая, селена, а также физическая активность, табакокурение, материнская диета и табакокурение матери во время беременности, вредное потребление алкоголя, воздействие поллютантов окружающей среды (мышьяк, хром, аэрозоли, бензол, полициклическихе ароматические углеводороды и стойкие органические соединения), а также старение, психологический стресс и сменная работа оказывают влияние на экспрессию генов путем изменения метилирования ДНК. Потребление полифенольных соединений и селена с пищей, а также физическая активность ведут к ковалентной модификации (ацетилированию) гистоновых белков. Физическая активность, курение сигарет и внутриутробные условия, в частности связанные с курением табака матерью во время гестации, регулируется экспрессией miРНК путем метилирования ДНК в miРНК локусах [33].
Эпигенетические механизмы воздействия питания и нутриентов на современном этапе. За прошедшие 7 лет многие эпигенетические механизмы были уточнены и расширены, в том числе в отношении питания и приема нутриентов. Так, показано, что куркумин изменяет эпигенетические маркеры, подавляя активацию ядерного транскрипционного фактора каппа-би В-клеток (NF-κB), тем самым уменьшая воспалительные реакции. Эпигаллокатехин гидрат также может снижать риск воспаления, сердечной травмы и окислительного повреждения, вызванного поллютантами окружающей среды, посредством эпигенетической регуляции генов провоспалительных мишеней NF-κB [34]. Обладающие антиоксидантной активностью полифенолы, содержащие катехины, подавляют активность ферментов и эпигенетически активируют «молчащие» гены. Некоторые нутриенты, включая фолиевую кислоту, кобаламин, рибофлавин, пиридоксин и метионин, играют решающую роль в метаболизме 1-углерода, непосредственно воздействуя на S-аденозил-L-метионин. Соевые полифенолы блокируют ДНК-метилтрансферазы и гистондеацетилазы, обеспечивая обратное аберрантное метилирование локусов CpG. Сульфорафан, обнаруженный в брокколи, нормализует метилирование ДНК и активирует экспрессию miR-140, которая в свою очередь подавляет SOX9 и ALDH1 и уменьшает рост опухолей [35]. В четырех европейских когортах (n=3096) только среди потребителей чая, но не кофе, женского пола выявлено два дифференциально метилированных CpG-сайта в составе генов DNAJC16 и TTC17, участвующих в опухолевых процессах и метаболизме эстрогенов [36]. Токоферолы — класс химических соединений, представляющих собой метилированные фенолы, многие из которых объединены названием «витамин E», — изменяя профили miРНК у пациентов, инфицированных вирусом гепатита B, проявляют антивирусную активность [37].
Эпигенетические механизмы воздействия ЗОЖ как интегрального показателя на здоровье. ЗОЖ в совокупности его элементов также может играть определенную роль в регуляции метилирования ДНК. Так, выявлены высокие уровни индекса глобального метилирования ДНК и гена TNF-α противовоспалительного цитокина в белых клетках крови в группе здоровых молодых людей (n=156) со средней нормальной массой тела, соблюдающих ЗОЖ, против контрольной группы с метаболическими нарушениями. Среди элементов ЗОЖ 1-й группы выявлены потребление рационального количества энергии и микроэлементов с пищей, большее число занимающихся спортом лиц и меньшее число курящих [38]. С другой стороны, пациенты с СД 1-го типа (Чили) без осложнений относительно контрольной группы без СД показали достоверно более высокий уровень метилирования промотора гена TNF-α [39].
Функциональная значимость эпигенетических механизмов как интерфейса между модификациями образа жизни и фенотипическими изменениями подчеркивается обширным перепрограммированием эпигенома диетой и физическими упражнениями. У мышей физические нагрузки и двигательная активность благодаря их защитным эффектам на фоне питания фастфудом, для которого характерно высокое содержание жиров, сахара и соли, предотвращали вызванное фастфудом гиперметилирование ДНК в клетках печени, особенно у промоторов и энхансеров. Вместе с тем ослабление гипометилирования в определенных участках ДНК наблюдалось только частично. Без физической нагрузки наблюдалось тотальное гиперметилирование и значительное увеличение специфических для печени энхансеров, что предполагает частичную потерю идентичности гепатоцитов, а гиперметилирование множества генных промоторов было связано с ингибированием развития ткани и промотированием канцерогенных процессов [40]. Коррелирующие со снижением массы тела изменения в эпигенетических модификациях 12 геномных локусов, из которых два расположены вблизи ассоциированных с потерей массы тела генов RUNX3 и NAMPT, выявлены у женщин 55—70 лет без инвалидности (n=20) на протяжении 6 мес, участвовавших в программе группового санитарного просвещения по вопросам значимости отказа от сидячего образа жизни для здоровья (9 занятий по 2 ч), против контрольной группы (6 занятий иной тематики по 1 ч). В виде проекта авторы предложили потенциальный эпигенетический предиктор снижения массы тела на основе базового метилирования ДНК в 5 CpG-сайтах [41].
Эпигенетические механизмы повреждающего воздействия экспозиции мелкодисперсным аэрозолем. Эпигенетические подтверждения вредного воздействия найдены в отношении вдыхания мелкодисперсных аэрозолей (взвешенные частицы), которые ВОЗ в 2005 г. отнесла к стохастическим факторам, не имеющим порога воздействия. Показано, что экспонирование аэрозолем с размером частиц не более 10 мкм (РМ10) повышает активность гистонацетилтрансферазы, катализирующей модификацию гистонов, и уровень ацетилированного гистона типа Н4 и таким образом способствует высвобождению воспалительных цитокинов [42]. Школьники (n=900) с воспалением дыхательных путей даже при кратковременном вдыхании самой мелкодисперсной пыли с размером частиц до 2,5 мкм (PM2,5) и наиболее опасной ввиду легкого проникновения сквозь биологические барьеры фракции аэрозолей проявили большую генетическую и эпигенетическую восприимчивость к этому типу аэрозолей [43]. РМ2,5 при 2-часовой экспозиции в концентрации 250 мг/м 3 индуцирует метилирование в генах, участвующих в метаболизме митохондриальной энергии реакций окисления, снижаемое под действием витаминов группы В в составе аэрозоля, что позволяет использовать данный метод для индивидуальной профилактики вредного воздействия аэрозолей в промышленных районах с частыми пиками выбросов PM2,5 [44].
Заключение
Изменения, происходящие в живом организме на всех этапах от зачатия и внутриутробного развития до старости и обусловленные воздействием элементов образа жизни и факторов окружающей среды, опосредованы регуляцией активности генов эпигенетическими механизмами, включающими метилирование ДНК, модификацию гистонов и «замалчивание» генов, промотеров или энхансеров малыми РНК. Многоуровневая система эпигенетических механизмов регулирует (изменяет) экспрессию определенных генов, задействованных в формировании положительных или отрицательных для здоровья ответов организма, в зависимости от специфических характеристик внешних факторов и механизмов их воздействия. Сегодня некоторые аспекты эпигенетической регуляции раскрыты. Например, установлено, что при старении экспрессия генов возрастает за счет инверсии метилирования ДНК в сторону гипометилирования, в том числе с вовлечением модификации гистонов, что и обусловливает формирование бремени неинфекционных хронических болезней в старости, многие из которых могут быть эпигенетически детерминированы в раннем возрасте образом жизни матери и состоянием ее здоровья при зачатии и беременности или даже получены по наследству. Дисрегуляция малых РНК обусловливает изменения в структурах генов, контролирующих воспаление и метаболические нарушения, что также обусловливает формирование неинфекционных болезней. Однако эпигенетические механизмы воздействия многих факторов не до конца выяснены и адекватно встроены в систему эпигенетического регулирования человеческого организма или еще не исследованы.
В настоящее время становится очевидным, что, несмотря на необходимость уточнения многих эпигенетических механизмов воздействия внешних и поведенческих факторов, эпигенетика обеспечивает профилактическую медицину и гигиену не только информацией о возможных эпигенетических точках вмешательства ЗОЖ в широком понимании этого термина, но и молекулярной доказательной базой профилактических мероприятий. Возможность эффективного управления здоровьем через эпигенетические механизмы в любой период жизни человека отражено в концепции развития здоровья на протяжении всего жизненного цикла (Life Сourse Health Development — LCHD), разработанной под руководством Neal Halfon, в соответствии с которой здоровье представляет собой динамический процесс, начинающийся до зачатия и продолжающийся на протяжении всей жизни, и должно развиваться (укрепляться) во всех периодах жизненного цикла человека, поскольку негативные изменения в состоянии здоровья обратимы, их можно скорректировать даже в старости. Хотя основные процессы развития человека генетически запрограммированы, экспрессия генов модифицируется предыдущей и текущей средой и поведением [45]. В 2014 г. N. Halfon и соавт. [46] ставят вопрос о необходимости реформы общественного здоровья на основе теории LCHD и вносят предложения по внедрению инноваций, которые могли бы ускорить перевод принципов развития здоровья в практику менеджмента здоровья на протяжении всей жизни, которые соответствуют прецизионной (персонифицированной) медицине. В руководстве «Handbook of Life Course Health Development» [47] обобщается и анализируется растущая база знаний о возможностях и перспективах развитии здоровья на протяжении всей жизни.
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
The authors declare no conflicts of interest.
Эпигенетические часы старения — а всё-таки, они тикают!…
Что такое эпигенетические часы я когда-то уже писал. Если вкратце, на сегодняшний день это лучший показатель биовозраста, который точнее паспорта отражает, сколько нам осталось жить. Почему эпичасы так важны? Потому что я считаю, что старение — это эпигенетическая программа. Кто-то называет это моё убеждение религиозным. Да без проблем, готов считать этот тезис своим «Символом веры». Ну или «Символом Юры» — верую, что старение есмь эпигенетическая программа и чаю её взлом.
Ведь верую я в это не просто так, а на основании всего уместившегося на сегодняшний день в моей голове массива данных. В котором особое место отведено тем самым эпигенетическим часам метилирования. Особое оно из-за того, что с возрастом у млекопитающих метилирование ДНК не просто стохастически «вымывается», как можно было бы предположить при случайной природе этого процесса, а часто наоборот усиливается, что обычно коррелирует со снижением экспрессии различных нужных генов (нужных, потому что если бы они не были нужными, они были бы выключены изначально, хотя бы после полового созревания, а не плавно выключались по мере старения).
Вообще наблюдения возрастного снижения экспрессии нужных генов всплывают в сфере изучения биологических механизмов старения постоянно. Чуть дальше я вернусь к этой теме и приведу несколько работ, показавших такое снижение у разных видов.
При этом наблюдается и обратный процесс: некоторые совсем ненужные нам гены, такие как вредоносные ретротранспозоны, в раннем возрасте не просто выключены, а находятся за семью печатями, но к определённому моменту печати почему-то распечатываются и эта «пятая колонна» начинает свою активность, подвергая бомбардировке наши гены своими копиями. Это приводит к гиперактивации врождённого иммунитета, то есть к пресловутому «инфламэйджингу» — стерильному возрастному воспалению, — которое поголовно наблюдается у пожилых людей и животных.
Почему наш организм разрешает транспозонам выйти на волю после определённого возраста? Ведь на примере других генов мы видим, что он вполне способен поддерживать или даже повышать метилирование ДНК с возрастом. А для половых клеток, которые вынуждены обнулять своё метилирование после оплодотворения, у организма есть ещё один механизм защиты от вредоносных «генов-рукиножниц» — piRNA. Так почему же на закате репродуктивного возраста транспозонам дозволяется выйти из-под этого контроля? Что это, равнодушное попустительство генов по отношению к выполнившей свою репродукционную роль «расходной соме» или целенаправленный феноптоз?
Мне видится, что второе. Объясню почему. В природе есть очень показательный пример социальных животных: пчёл, муравьёв, термитов. Напомню, что у некоторых видов термитов репродуктивная каста живёт в 80-120 раз дольше своих идентичных близнецов, пошедших по рабочей жизненной стезе. Так вот, в одной работе авторы показали, что у маток та самая мегазащита от транспозонов, piRNA, активна на протяжении многих лет, а у рабочих особей она снижается за считанные месяцы:
«Поразительно, что гены из пути PIWI-взаимодействующей РНК (piRNA), которые, как известно, заставляют молчать [транспозоны] в зародышевой линии многоклеточных животных, были подавлены только у старых рабочих, но не у королевской касты».
Ну да ладно, транспозоны — тема для отдельного поста, а в этом я хочу вернуться к часам метилирования и подробно разобрать одну интересную работу от группы Вадима Гладышева, в которой они досконально проанализировали, что происходит с метилированием по мере взросления и старения (мышей). Для этого они снимали мышиный профиль метилирования аж в 16-и временных точках — то есть, практически, через каждые 2 месяца короткой мышиной жизни. И не просто «профиль метилирования» какой-нибудь сотни-другой сайтов, а изучили целых 800 000 различных сайтов метилирования, из которых чуть более 20% значимо менялись с возрастом.
Кстати, стоит отметить, что для своей статьи авторы использовали данные по возрастным изменениям мышиного метилома, полученными своими коллегами из той же лаборатории в более ранней работе. В той исходной работе, во-первых, были созданы мышиные часы метилирования, а во-вторых, было показано, что эти часы замедляются от различных уже известных интервенций по продлению мышиной жизни (ограничение калорий и всё такое). Кстати, те мышиные часы метилирования Гладышева в своё время похвалил сам Стив Хорват, самый известный эпигенетический часовщик.
Важная статья от группы Гладышева
Среди промоторов, мы обнаружили 102 генных каскада, значимо ассоциированных с возрастным снижением метилирования, и 1162 каскада, ассоциированных с его увеличением. Среди каскадов со снижением метилирования были каскады, связанные с репарацией ДНК, иммунными процессами и воспалением. В возрастающей группе наиболее часто встречающиеся каскады были связаны с процессами развития. Были также значительно обогащены каскады, связанные со старением и продлевающими жизнь интервенциями, такие как реакция на факторы роста, инсулиноподобный фактор роста и TGFβ, каскад MAPK, сигнальные пути WNT и Notch, регуляция стволовых клеток, ответ на эстрадиол, пути регуляции метаболизма жирных кислот, а также пути регуляции транскрипции.
Мы также исследовали метилирование самих генов и обнаружили 39 значимых каскада, которые по мере старения теряли метилирование, и 987 каскада, чьё метилирование возрастало. В генах мы наблюдали схожие паттерны по сравнению с промоторами. Каскады с уменьшающимся метилированием ДНК включали репарацию ДНК, иммунную функцию и связанные с воспалением каскады. Каскады с повышенным метилированием включали различные каскады развития, а также каскады, связанные со старением, включая регуляция клеточного старения и сенесценции, ответ на такие факторы роста как TGFβ, пролиферацией и дифференцировкой стволовых клеток, каскад MAPK, передачу сигналов WNT, Notch, и каскады метаболизма жирных кислот. Кроме того, [в этой группе] был обнаружен путь, включающий само метилирование ДНК, включая ген DNMT1.
Но знаете, что забавно? Что авторы этой работы — убеждённые стохастики, то есть люди, считающие старение не программой, а случайным накоплением повреждений. Вот как интерпретирует увиденное один из соавторов статьи, Александр Тышковский:
По поводу часов [метилирования] и их детерминированности. Когда мы анализировали конкретные изменения профиля метилирования с возрастом, увидели 2 основных паттерна.
Первый — рост энтропии (объясняет изменение статуса метилирования с возрастом для более половины сайтов). Сайты, абсолютно заметилированные, с возрастом начинают деметилироваться, и наоборот. Детерминированы ли эти изменения? Да, безусловно. Запрограммированы ли они? Нет, ведь объясняются чистой стохастикой: уровень метилирования полностью заметилированных сайтов не может стать еще выше, он может только падать (что и происходит), то же самое с противоположной стороны. Другими словами, их статус метилирования движется в направлении среднего с разных сторон как следствие падения контроля за статусом метилирования.
Второй паттерн — падение метилирования (и рост активации) генов, связанных с поддержанием организма и исправлением повреждений (например, гены репарации ДНК и иммунного ответа). Программа ли это? Да. Но не старения, а исправления повреждений, которые увеличиваются с возрастом. Когда автомобиль неисправен, хозяин “запрограммировано” отвозит его в автомастерскую. Но это не значит, что есть программа поломки автомобиля.
Опять энтропия
Ох уж эта энтропия. То и дело всплывает в разговорах о старении. Ну да, да, по мере старения энтропия возрастает — причём почему-то с очень разной скоростью в разных видах — но, как я уже писал, не потому что какой-то физический закон её обязывает это делать, а потому что гены ей это разрешают, а то и всячески помогают. Когда генам нужно энтропию организма уменьшать, они с этим прекрасно справляются — во время эмбриогенеза, например, или по мере полового созревания. Некоторые виды даже отрезанные конечности во взрослом возрасте могут отращивать, включая голову, как планарии. Но об этом феномене будет отдельный пост, а мы давайте вернёмся к тезису Александра об энтропии. На основании каких данных он сделал такие выводы?
Судя по графикам в его статье, на основании вот этих данных для мышей:
(с) Shannon entropy of the sites that significantly change (or do not change) with age.
(d) Shannon entropy of the sites that significantly increase and decrease with age.
…и вот этих данных для людей:
Age-related changes in entropy of the human DNA methylome.
(A) Shannon entropy of the sites that significantly change (or do not change) with age in 651 human samples from the age of 19 to 101 years. Permutation test was performed to assess the difference in entropy between changing and non-changing groups.
(B) Shannon entropy of the sites that significantly increase and decrease with age in 651 human samples from the age of 19 to 101 years. Permutation test was performed to assess the difference in entropy for increasing and decreasing groups.
Сказать честно, я не вижу тут особого роста энтропии, особенно у людей. Наоборот, средний уровень энтропии сайтов метилирования на удивление стабилен с возрастом. Более того, у тех человеческих сайтов, где метилирование с возрастом снижается, энтропия вообще падает (самый нижний график, синие точки).
Тут стоит упомянуть, что показанное на графиках выше возрастное снижение энтропии нашего метилирования вполне соотносится с весьма любопытным явлением: после 75–80 лет разброс в эпигенетике у разных людей вместо того чтобы монотонно нарастать, начинает наоборот снижаться. Сначала это увидели у близнецов:
«Есть экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что эпигенетические колебания могут перестать расходиться у очень старых людей. В исследованиях близнецов вариация в глобальном метилировании генома постепенно возрастала до 75 лет, но демонстрировала тенденцию к снижению в самой старой группе близнецов (76–88 лет)».
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22621408
«Возрастная эпигенетическая дивергенция, как это ни парадоксально, переходит в конвергенцию на более поздних этапах жизни.
Мы находим, что ткани мозга пожилых людей (> 75 лет) становятся более похожими друг на друга, как эпигенетически, так и транскрипционно, по сравнению с более молодыми людьми».
https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-016-0946-8
Позволю себе немного лирики — в принципе, что-то подобное мы наблюдаем и в жизни. Разброс в уровнях здоровья у людей в когорте 50-60 лет достаточно велик: в этом возрасте ещё есть много живчиков, но вот в 80 лет уже практически все люди довольно дряхлые. Может быть, именно это отражает динамика метилирования. На самом деле, это очень грустно, потому что показывает, что как бы мы не старались сохранить себе молодость ведя здоровый образ жизни, похоже, что к определённому возрасту мы всё равно догоним своих менее дисциплинированных ровесников по уровню дряхлости. То есть наши траектории старения сойдутся.
Кстати, забавно, что схождение траекторий старения также прослеживается между богатыми и бедными — деньги могут значительно увеличить ваши шансы дожить до 75, но не до 100 лет:
Ладно, вернёмся к нашим мышам и их энтропии. Последнее, что я хотел сказать на эту тему, это то, что, если приглядеться, видно, что на протяжении подавляющего большинства мышиной жизни уровень энтропии их метилирования остаётся примерно неизменным — практически до 2-х лет жизни (а средняя продолжительность жизни мыши — 2,5 года). Вот те же мышиные данные авторов, только на более наглядных графиках:
Age-related increases in entropy of the DNA methylome.
(A) Shannon entropy of 141 C57BL/6 mouse samples, calculated for every site.
(B) Shannon entropy of the same samples, calculated only for the sites that significantly change with age.
Если закрыть рукой правые части графиков (после 22–24 месяцев), то практически никакого роста и не видно.
Метилирование с возрастом
(a) Age-related changes in DNA methylation, shown as a density plot accounting for all detected CpG sites.
(b) Same as in (a), but the plots include only the CpG sites that significantly change with age.
Слева вообще все сайты, а справа — только те, что значительно изменялись с возрастом. Что мы видим? Что с возрастом глобальная картина метилирования меняется совсем незначительно: на левом графике синие кривые (молодые мыши) практически неотличимы от красных (старые мыши). И даже если смотреть только на те сайты, что значимо изменяются с возрастом, картина не отличается кардинально. Более того, основные изменения происходят в уже довольно зрелом возрасте (после 20 месяцев).
Это ещё лучше видно, если посмотреть не просто на все сайты, а на биологически значимые из них. Например, на начальные участки генов (уровень метилирования которых обратно коррелирует с уровнем их экспрессии):
Age-related changes in DNA methylation of genes. Relative position was calculated for every gene (0 corresponds to the TSS and 1 to the end of the gene) and extended in both directions up to the length of the gene. Dotted lines (individual samples) and thick lines (age groups) were calculated by generalized additive model using significant sites.
Возраст, когда кривые начинают сильно краснеть — это 20–22 месяцев. Как видно из графика выше, до этого возраста метилирование стартовых последовательностей генов практически не меняется. Да и после растёт не так сильно, как в других местах.
А в других биологически значимых зонах видна уже более выраженная динамика. Вот, например, метилирование длинных некодирующих РНК (днкРНК), которые являются важным механизмом эпигенетического “тюнинга” различных клеточных процессов. Их метилирование начинает возрастать ещё в “синем” возрасте, и изменяется куда более ощутимо:
Age-related changes in DNA methylation of certain genomic elements.
(A) Age-related changes in methylation of long non-coding RNAs. Relative positions are shown as 0 (where the element begins) and 1 (where the element ends) and extended upstream (-1) and downstream (2) according to the length of the genomic region. Lines were calculated by generalized additive model based on the significantly changed sites. Color scheme shows the age, dotted lines show individual samples, and thick lines show age groups.
У вредоносных ретротранспозонов же обратная динамика, их метилирование падает с возрастом:
Age-related changes in methylation of repetitive elements in the genome.
Причём падает тоже с довольно большой скоростью и с ранним, “синим” стартом. То есть эти древние прыгающие гены просыпаются у мышек задолго до преклонного возраста, и с каждым последующим месяцем их активность нарастает.
И формально — да, часто метилирование падает или растёт в направлении среднего значения в 0,5. Но! Если падение метилирования вполне можно объяснить пассивным процессом его “разбавления” при копировании (ну, не шмогла DNMT1 со 100%-ой точностью воспроизвести все метильные метки), то вот его рост случайным процессом объяснить сложно. Потому что метилирование ДНК — процесс активный, сама по себе метильная метка на цитозин не прилепится. Перефразируя Маяковского, если метки прилепляют, значит это кому-нибудь нужно.
Более того, мы видим, что в биологически значимых участках, например в промоторах или первых экзонах генов, рост метилирования встречается куда чаще, чем его снижение. Тут самое время вспомнить ту цитату авторов этой работы, которую я привёл в начале, где возрастающих сайтов метилирования было в 10 раз больше, чем падающих. Вот на этом весьма наглядном графике приведена динамика метилирования и других функционально значимых областей генома:
Regression slope of linear regression for every genomic region, including only the significant sites, based on the RefFreeEWAS analysis.
Как мы видим, количество функциональных областей, где метилирование возрастает (regression slope > 0), затмевает области, где оно падает (slope