Глава 17. Определение пола: химические вещества и репродукция.

В осеннем лесу, на развилке дорог, Стоял я, задумавшись, у поворота; Пути было два, и мир был широк, Однако я раздвоиться не мог, И надо было решаться на что-то. Роберт Фрост[11]. Другая дорога.

Недавние исследования, посвященные влиянию на рыб природных и антропогенных загрязнителей, дали весьма интересные результаты. Например, добавление в экспериментальный водоем на северо-западе канадской провинции Онтарио этинилэстрадиола, основного синтетического эстрогена, входящего в состав оральных контрацептивов, привело к исчезновению популяции рыб-толстоголовов, там обитавших. У самцов рыб, пойманных в реках Великобритании ниже очистных сооружений, был обнаружен гермафродитизм различной степени – аномалия, при которой одна и та же особь способна производить как женские, так и мужские половые клетки. Самое неприятное, что у самцов с гермафродитными признаками были выявлены репродуктивные отклонения: способность к успешному размножению зависела от уровня гермафродитизма.

Эти исследования порождают ряд интересных вопросов. Во-первых, каким образом рыбы могут быть настолько репродуктивно пластичны, что загрязняющие вещества, находящиеся в воде в низкой концентрации, настолько сильно влияют на способность рыб к выживанию и размножению? Во-вторых, почему именно рыбы? Может ли произойти такое с млекопитающими – например, с выдрами или дельфинами?

О влиянии химических веществ на размножение диких животных известно давно; и здесь, так же как в «Безмолвной весне» Рэйчел Карсон, именно крупные рыбоядные птицы впервые привлекли внимание к этой проблеме. В 1970-х гг. было отмечено снижение численности этих птиц во многих районах США, от Флориды до Калифорнии и Великих Озер. Но в отличие от случаев, описанных в «Безмолвной весне», птицы не падали замертво, а просто отказывались размножаться. Особенно было заметно отсутствие брачных игр и нежелание строить гнезда. В некоторых местах птицы откладывали яйца, но птенцы так и не вылуплялись или вылуплялись с врожденными дефектами. В других местах в одном гнезде оказывались две самки и двойное количество яиц.

Одним из тех, кто помог сложить воедино кусочки головоломки, была доктор Тео Колберн, работавшая в Фонде охраны природы. Она показала, что такие вещества, как вышеупомянутый этинилэстрадиол, попадают в кровь птиц и действуют как клеточные сигналы, изменяя репродуктивную физиологию, морфологию и поведение животных. Чтобы разобраться в ее исследовании эндокринных нарушений у птиц, вначале нужно в целом ознакомиться с репродуктивной биологией, начав с самых привычных позвоночных животных – птиц и млекопитающих.

Репродуктивная система позвоночных животных может развиваться по мужскому или женскому типу: и мужские семенники, и женские яичники возникают из одной и той же зародышевой ткани. У млекопитающих и птиц пол определяется генетически и остается стабильным на протяжении всей жизни. Дифференциация гонад (половых желез) всегда идет одним и тем же путем, что в итоге приводит к появлению зрелых семенников или яичников. У млекопитающих результат определяется геном SRY, локализованным в коротком плече Y-хромосомы. Те особи, у которых имеется Y-хромосома и ген SRY, развиваются как самцы.

У птиц все происходит подобным же образом за исключением того, что у самцов половые хромосомы гомологичны, или одинаковы (ZZ), а у самок – различны (ZW). Недавние исследования показали, что развитие самцов у птиц запускается единственным геном, DMRT1. Если активность этого гена затухает, происходит феминизация. Чтобы понять, как такие гены, как SRY или DMRT1, определяют пол, нужно изучить развитие внутренних половых органов. На раннем этапе зародышевые гонады начинают развиваться без половых клеток (яйцеклеток или сперматозоидов); эти клетки мигрируют в гонады позже. Внутренние половые органы (семявыводящие протоки, придатки семенников и семенные пузырьки у самцов и фаллопиевы трубы, матка и верхняя часть влагалища у самок) в эмбриогенезе появляются из развивающихся почечных канальцев, и у самцов их судьба оказывается иной, чем у самок.

В ходе эмбрионального развития часть мезонефрической почки дает два типа канальцев, вольфиевы и мюллеровы. Вольфиевы канальца под влиянием тестостерона дифференцируются на семявыводящие протоки, придатки семенников и семенные пузырьки. Вторая пара эмбриональных канальцев, мюллеровы, начинает развиваться параллельно. У самцов развитие мюллеровых канальцев подавляется мюллеровым ингибирующим фактором (МИФ), гормоном, выделяемым семенниками. Развитие по мужскому типу зависит от секреции тестостерона, и в его отсутствие у генетически мужской особи возникает фенотип самки. Синтез МИФ, по всей видимости, активируется геном SRY, что, в свою очередь, гарантирует атрофию мюллеровых канальцев и нормальное развитие мужских органов.

Развитие самок происходит «по умолчанию». Если ничто не подавляет развитие мюллеровых канальцев, они дифференцируются на фаллопиевы трубы, матку и верхние части влагалища, хотя для полного развития женского фенотипа требуется наличие эстрогена. Вольфиевы канальца, не поддерживаемые тестостероном, дегенерируют.

У млекопитающих и птиц вышеописанные процессы четко обусловлены: пол особи определяется геном половой хромосомы. Однако репродуктивная функция зависит не только от генетического определения пола. Репродуктивная система взрослого млекопитающего формируется стероидами, которые начинают влиять еще на эмбриональной стадии. Система изначально чувствительна к стероидам, главное – искать их в нужном месте. Для млекопитающих таким нужным местом является плацента. После того как оплодотворенная яйцеклетка имплантируется в эндометрий матки, между матерью и плодом начинает развиваться плацента – сложная сеть капилляров. Капилляры матери и плода соединяются между собой. И хотя кровь матери напрямую не смешивается с кровью плода, кислород, питательные вещества и другие соединения, в частности сигнальные стероиды, могут передаваться от матери к развивающемуся плоду.

Однояйцевые близнецы, развивающиеся в результате разделения одной яйцеклетки, обладают такой связью не только с матерью, но и друг с другом. Так как однояйцевые близнецы всегда одного пола, стероиды, которыми они обмениваются, одинаковы. У человека разнополые разнояйцевые близнецы защищены от воздействия «неправильных» стероидов, так как у них разные плаценты.

Но у других крупных млекопитающих – например, коров или буйволов – химическое общение становится проблемой. Если в матке матери одновременно развиваются телята разного пола, родившаяся самка обязательно оказывается стерильной, и ее называют фримартин. Дело в том, что два плода делят одну плаценту и, следовательно, часть гормонов, ответственных за половое развитие. МИФ, один из главных гормонов для развития самцов, проходит через плаценту от зародыша мужского пола к зародышу женского и нарушает нормальное развитие мюллеровых канальцев. Поэтому матка не развивается и самка оказывается стерильной.

Если у двух плодов общая плацента, обмен стероидами оказывает весьма серьезное влияние – для плода женского пола оно поистине разрушительно. У других млекопитающих, у которых в норме рождается много детенышей, тонкие различия внутриматочной среды воздействуют на развивающиеся зародыши весьма интересным образом. Например, у грызунов и свиней матка по сути представляет собой цилиндр, где зародыши расположены в ряд. За исключением крайних в ряду, каждый из зародышей находится между двумя другими, поэтому возможны три варианта: соседями могут быть две самки, два самца или самец и самка.

Пол непосредственных соседей имеет большое значение и служит важным определяющим фактором репродуктивной вариабельности из-за химической среды, создаваемой ими. У зародышей грызунов женского пола, развивающихся между двумя зародышами мужского, повышен уровень тестостерона, и во взрослом состоянии они более чувствительны к этому гормону и производят больше потомства мужского пола. Такие самки также более склонны проявлять признаки полового поведения, свойственного самцам, занимают большую территорию и более агрессивны. Самцы, развивающиеся между двумя другими самцами, также более агрессивны, занимают большую территорию, ярче проявляют родительское поведение и более чувствительны к тестостерону по сравнению с самцами, развивающимися между двумя самками.

Исследования приплода животных с многоплодной беременностью демонстрируют нам как явные, так и тонкие эффекты эндогенных химических веществ на развитие зародышей. Но химическое воздействие вовсе не обязательно должно производиться веществами, поступающими от матери или соседей по матке; эти вещества могут даже не иметь природного происхождения – как те, что повлияли на культуры тканей в лаборатории Аны Сото, о чем мы рассказывали в главе 14. Эти вещества могут поступать из внешних источников, например сточных вод или сельскохозяйственных угодий.

Первое свидетельство этого явления было обнаружено не у человека, а у домашнего скота. Уже более 50 лет назад было замечено, что у беременных животных, пасущихся там, где много красного клевера (Trifolium pretense), возникают нарушения фертильности. Последующие эксперименты показали, что в красном клевере содержится смесь изофлавоноидов – природных фитоэстрогенов, которые могут влиять на фертильность самок. Влияние клевера обратимо (маток можно просто перевести на другое пастбище), однако на этом примере мы видим эффект природного вещества, которое действует как неверный клеточный сигнал.

Еще один пример – эпидемиологическое исследование Артура Хербста (подробно описанное в главе 13), детализирующее негативное влияние ДЭС на женскую репродуктивную систему. Диэтилстильбэстрол, хотя и не является стероидом, нарушает работу эндокринной системы. Он порождает структурные дефекты, изменяя схему развития через клеточные сигналы. В частности, воздействие ДЭС на ранних стадиях развития приводит к неполной атрофии вольфиевых канальцев, и далее запускается целый каскад эмбриональных изменений, в конечном итоге приводящий к репродуктивным аномалиям. Трагическая история с ДЭС иллюстрирует тот факт, что вещества, нарушающие работу эндокринной системы, могут наносить непоправимый ущерб.

Наблюдая половую дифференциацию у млекопитающих, исследователи приходят к общему выводу, что между генетикой и морфологией существует жестко закрепленная связь. Однако даже у млекопитающих наличие фримартинов и других типов внутриутробного влияния свидетельствует о том, что генетические особенности связаны с морфологическими через клеточные сигналы, и такие сигналы, полученные через плаценту, могут затмевать сигналы, посылаемые развивающимся половым структурам от генетического материала. Кроме того, у птиц половая дифференциация подвержена достаточно скромным изменениям, у рептилий и амфибий, а в особенности у рыб, это гораздо более пластичный процесс. У холоднокровных позвоночных животных генетическое определение пола может преобладать, а может полностью отсутствовать.

Среди рептилий существуют различные формы генетического определения пола. Самки змей гетерогаметны (аналогично самцам млекопитающих), но у различных видов черепах и ящериц гетерогаметными могут быть и самки, и самцы. У других видов ящериц пол определяется генотипически, но без участия гетерогаметных хромосом. Подобная ситуация существует и у амфибий: у некоторых видов гетерогаметны самцы (XY), а у других – самки (ZW). У японской морщинистой лягушки (Rana rugosa) в одних популяциях гетерогаметны самцы, а в других – самки, что позволяет предположить, что эволюция половой дифференциации у этого вида продолжается и в настоящий момент. Интересно, что при скрещивании гомогаметных самцов (ZZ) и самок (XX) получается гетерогаметное потомство (XZ), полностью состоящее из самцов.

Среди амфибий есть и другие примеры недостаточно четко определенных отношений между генетическим и морфологическим определением пола. Африканская шпорцевая лягушка (Xenopus laevis) – вид с гетерогаметными самками (ZW) и гомогаметными самцами (ZZ). Однако при воздействии эстрадиола на головастиков может возникать несоответствие между генетикой и морфологией: у генетически мужских особей ZZ развиваются все внешние и внутренние половые органы женских особей. При этом они могут скрещиваться с «настоящими» (генетически и морфологически) самцами, имеющими те же половые хромосомы (ZZ), и давать потомство, состоящее исключительно из самцов – и генетически, и морфологически.

У некоторых пресмыкающихся и небольшого числа земноводных пол определяется преимущественно температурой, при которой развиваются зародыши. Ученые считают, что такое определение пола зависит не от какого-либо главного гена (подобного гену МИФ у млекопитающих или DMRT1 у птиц), а от «парламентской системы» контроля, при которой изменения температуры внутренней среды в яйце вызывают значительные изменения ферментной активности многих белков, ответственных за определение пола.

Все вышеописанные варианты управления половой дифференциацией весьма впечатляют, однако наибольшая вариабельность ее форм наблюдается среди 24 000 видов рыб. Как и у пресмыкающихся, у разных видов рыб гетерогаметны могут быть самцы (ZW), самки (XY) или ни один из полов. У видов, которым свойственен гермафродитизм, обычно отсутствует жесткая система определения пола. Хотя некоторые рыбы строго раздельнополы и развиваются как особи определенного пола, сохраняя его на протяжении всей жизни, у других видов, среди которых представители как минимум 25 семейств, может в той или иной степени проявляться гермафродитизм. Он может быть последовательным, когда особь вначале функционирует как самец, а на более позднем этапе становится самкой, или наоборот; а может быть синхронным, когда у одной и той же особи одновременно функционируют семенники и яичники.

У раздельнополых видов, особи которых имеют либо яичники, либо семенники, гермафродитизм и спонтанное изменение пола встречаются очень редко. Однако такие случаи все же отмечались как в природе, так и в лабораторных условиях. Смена пола и аномальный гермафродитизм может возникать у рыб под воздействием экзогенных химических веществ. Также имеется много свидетельств возможности изменения процесса дифференциации половых желез у раздельнополых видов. Воздействие мужских гормонов или подобных им веществ может вести к регрессу ткани яичников и появлению семенников, производящих нормальную сперму. Аналогичным образом, воздействуя на организм эстрогенами, можно получить самку, даже если первоначально уже началось развитие семенников.

Гибкость процесса определения пола у низших позвоночных животных допускает гораздо более впечатляющие изменения в репродуктивной системе, чем те, что могут происходить у млекопитающих и птиц. Это уже давно известно тем, кто занимается разведением рыб, так как бывают ситуации, когда требуется выпустить в природу стерильную популяцию животных. Один из способов гарантировать, что рыбы не будут размножаться, – создать однополую популяцию, изменив пол химическим путем. При воздействии стероидами на определенных ранних стадиях развития можно получить популяцию, состоящую из одних самок или одних самцов. У рыб, живущих ниже очистных сооружений или целлюлозно-бумажных комбинатов, также отмечается изменение соотношения полов в популяциях, пусть и не такое драматическое.

В развитии репродуктивной системы позвоночных возможны два результата – женский или мужской организм. Эти результаты удобно представлять как дихотомию, однако на самом деле все несколько сложнее. Как уже говорилось выше, генетические самцы не всегда морфологически становятся ими, даже у млекопитающих. Важную роль здесь играют изменения химического состава среды, в которой развивается плод или личинка, так как эти изменения могут нарушать систему внутренних эндокринных сигналов, что приводит к нарушениям формирования репродуктивных органов. Кроме того, пластичность репродуктивной системы выше всего у рыб – так же как и пластичность реакции на экзогенные химические сигналы. Вызывая проблемы с размножением или полное уничтожение популяции, как в экспериментальном озере в Онтарио, эти сигналы могут очень серьезно воздействовать на экосистемы.

Глава 18. Воздействие на самой ранней стадии: трансгенерационная токсикология.

Дети – это не книжки-раскраски. Их нельзя раскрасить так, как вам хочется. Халед Хоссейни.

Когда млекопитающее подвергается воздействию каких-либо химических веществ на эмбриональной стадии, эффекты этого воздействия могут сохраняться всю жизнь. В некоторых случаях катастрофический результат может быть следствием преступного деяния чужеродного вещества, которое маскируется под клеточный сигнал и изменяет процесс формирования плода. Классические примеры такого влияния на организацию тканей – рождение фримартинов или негативное воздействие диэтилстильбэстрола на репродуктивную систему самок. Другие вещества могут нарушать развитие, изменяя наследственный материал (гены и хромосомы), и при этих условиях эффект может не ограничиваться матерью и ее развивающимся потомством, а передаваться следующим поколениям и после того, как действие вещества закончится. В этой главе мы расскажем об эмбриональном происхождении болезней, проявляющихся у взрослых, и, в частности, о мультигенерационной и трансгенерационной токсикологии.

Еще Парацельс установил, что яд создает дозировка токсичного вещества. Однако в случае мультигенерационной токсикологии очень важно разобраться, кому предназначается эта дозировка. Если млекопитающее (неважно, самец или самка) не беременно, полученная доза вещества действует лишь непосредственно на ткани родительского поколения (которое в генетике обозначается как F0). Если же самка беременна, то токсин, как мы уже говорили в предыдущей главе, может воздействовать как на родителя, так и на потомство (поколение F1). Вещества, которые могут воздействовать на генетический материал, влияют на поколение F1, даже если первоначально воздействию подвергалась небеременная самка или самец. В данном случае генетический материал поколения F1 получен им от матери и отца, и если он был изменен, то в таком виде и наследуется. Беременная самка – особый случай, так как вещество может одновременно воздействовать и на нее, и на плод, но при этом благодаря наследованию измененный генетический материал передается далее, поколению F2. Таким образом, воздействие, оказанное на особь женского пола, изменяет генетический материал ее внуков.

Процессы, описанные выше, называются мультигенерационными эффектами, так как в данном случае даже внуки беременной самки испытывают прямое, хотя и ограниченное, влияние воздействия на родительское поколение. Как уже обсуждалось в предыдущей главе, мощные изменения в образовании структур организма могут возникать, если токсичное вещество, например диэтилстильбэстрол, изменяет клеточные сигналы. Но что, если воздействие токсина на эмбриональной стадии развития организма не оказывает значительного эффекта на организацию тканей, а изменяет восприимчивость к каким-либо заболеваниям на более поздних стадиях жизни? Эта гипотеза, описывающая так называемые пороки развития, не нова: она возникла более 75 лет назад. В самых ранних из изученных случаев эффекты возникали не из-за воздействия каких-либо токсинов, а из-за питания. Лучше всего в этом отношении были изучены последствия Голодной зимы 1944–1945 гг. в Нидерландах.

В 1944 г. события Второй мировой войны в Европе достигли своего апогея. Союзники высадились в Нормандии 6 июня 1944 г., и к концу года были освобождены Париж, Бельгия и южная часть Нидерландов. Однако продвижение союзных сил затормозилось на Рейне, и северные Нидерланды к зиме оставались под контролем Германии. Пытаясь помочь союзникам, нидерландское правительство в изгнании призвало железнодорожников к общей забастовке, чтобы помешать транспортировке немецких соединений и снаряжения в регион. В ответ фашисты лишили оккупированные районы продовольствия и топлива. К началу ноября каналы замерзли, регион оказался в блокаде, и начался голод.

Голод продолжался до самого освобождения Нидерландов от фашистов в мае 1945 г. В период голода потребление пищи на душу населения снизилось с 1800 ккал, доступных до блокады, до менее 400 ккал в день. В этот период, несмотря на длительную нехватку продовольствия, женщины продолжали беременеть, и, несмотря на тяжелые условия, все данные тщательно записывались и сохранились. Через много лет после войны детей, рожденных в больнице Вильгельмины с 1 ноября 1942 по 28 февраля 1947 г., включили в международное исследование, известное как Dutch famine birth-cohort study. Спустя 50 лет сведения о заболеваемости взрослых, переживших еще до рождения последствия голода, сравнили с информацией о ходе беременности их матерей, в том числе о весе и состоянии здоровья женщин, а также о массе младенцев и плаценты при рождении. Отдельно рассматривалось воздействие голода на раннем, среднем и позднем сроке беременности на основании даты рождения детей.

Сравнение общего здоровья взрослых, которые были рождены в период голода, и тех, кто родился после него, дало поразительные результаты. Дети, матери которых пережили голод на позднем сроке беременности, были меньше при рождении, а во взрослом состоянии у них оказалась нарушена толерантность к глюкозе. У детей, чьи матери голодали на ранних сроках беременности, вес при рождении был нормальным, что позволило предположить наличие у плода компенсаторного роста на более поздних сроках, перед рождением. Тем не менее у взрослых из этой группы в три раза чаще по сравнению со средними показателями возникала ишемическая болезнь сердца, чаще наблюдались отложение холестерина в артериях (приводящее к атеросклерозу) и склонность к ожирению. Кроме того, в этой группе люди чаще, чем в других, субъективно оценивали свое здоровье как плохое.

Голодная зима в Нидерландах и ее последствия – показательный пример связи между развитием плода и состоянием здоровья взрослого. На самом деле, как ни странно, эти явления можно рассматривать как адаптивные, поскольку метаболические изменения, возникающие во время внутриутробного развития, готовят потомство к жизни в стесненных условиях, в частности к недостатку пищи. Если бы дети, пережившие голод на ранних этапах внутриутробного развития, прожили всю свою дальнейшую жизнь в условиях недостаточного питания, произошедшие в их организме метаболические изменения могли бы помочь им адаптироваться к тяжелым условиям. Согласно теории пороков развития проблемы возникают при несовпадении среды обитания матери (недостаток пищи) и той, в которой впоследствии живет ее потомство (изобилие пищи).

Результаты исследования последствий Голодной зимы заставили ученых задуматься о том, как возникают эти эмбриональные изменения, и в ходе дальнейших исследований был раскрыт их механизм: эпигенетическая модификация генома. Эпигенетика изучает стабильные изменения в потенциальной экспрессии генов, которые могут передаваться последующим поколениям. Эпигенетические изменения, в противоположность мутациям, возникают «поверх» генетического материала, иными словами, при них не затрагивается сама нуклеотидная последовательность ДНК.

Чтобы понять, как могут возникать эпигенетические модификации, стоит разобраться в том, что представляет собой генетический материал. Хроматин, вещество, плотно складывающееся в хромосомах при митозе, – это не просто нить ДНК, а макромолекулярный комплекс, в состав которого входят белки-гистоны, одноцепочечная РНК и двухцепочечная ДНК. Основная единица строения хроматина – нуклеосома, состоящая из восьми гистонов, которые формируют ядро, вокруг которого намотано несколько витков ДНК. Такое строение экономично, однако для прочтения и транскрипции ДНК ее необходимо размотать. При эпигенетических модификациях хроматина меняется способность некоторых нуклеосом раскручиваться, из-за чего нарушается процесс транскрипции и трансляции генов.

Эпигенетические модификации могут возникать по меньшей мере тремя различными способами: модификацией самой ДНК, модификацией гистонов или изменением некодирующей РНК. Добавочные молекулы, так называемые маркеры и метки, не меняют саму цепочку ДНК, но позволяют присоединяться к ней метильным группам.

Где именно происходит метилирование генетического материала, зависит от структуры ДНК. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль – похожую на лестницу макромолекулу, – закрученную по длинной оси. Лестница построена из нуклеотидов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из азотистого основания, пятичленного сахара и по меньшей мере одной фосфатной группы. В ДНК могут быть четыре типа азотистых оснований: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Каждая ступенька лестницы ДНК – это пара оснований, при этом аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин с цитозином (А-Т, Г-Ц). Метилирование чаще происходит в Ц-Г островках – участках ДНК с большой пропорцией цитозин-гуаниновых пар, и это, как правило, приводит к подавлению экспрессии генов. Вторая форма эпигенетической модификации носит название гистоновой посттрансляционной модификации: в этом случае к гистонам присоединяются какие-либо группы атомов (например, фосфатные, ацетильные или метильные), влияющие на доступ факторов транскрипции к ДНК и таким образом ограничивающие экспрессию. Третья форма эпигенетической модификации связана с некодирующей РНК, которая может либо способствовать экспрессии генов, либо, наоборот, подавлять ее. Стоит отметить, что все эти механизмы эпигенетической модификации не работают изолированно; транскрипция и трансляция генов в белки происходит под влиянием их совокупного действия, которое может быть как стимулирующим, так и затормаживающим.

Эти механизмы хорошо изучены, однако их важность становится очевидной при сравнении переживших голод с теми, кто питался нормально. У тех людей, матери которых голодали на раннем сроке беременности, по прошествии 60 лет обнаруживалась меньшая степень метилирования ДНК в определенном гене (инсулин-подобном факторе роста 2) по сравнению с их же братьями и сестрами того же пола, выношенными и рожденными в условиях нормального питания. Что интересно, при сравнении детей из одной семьи, один из которых родился в нормальных условиях, а второй пережил голод на позднем (а не на раннем) сроке беременности матери, никаких различий в метилировании отмечено не было. В дальнейшем были предприняты попытки обобщить эти результаты, проведя аналогичные сравнения, но уже с использованием глобальных данных по метилированию ДНК, однако никакого статистически достоверного уровня гипометилирования выявлено не было. Исходя из этого, можно предположить, что гипометилирование, наблюдавшееся у людей, переживших Голодную зиму в Нидерландах, – это лишь частный, но не общий случай.

Голодная зима показала ученым роль эпигенетической модификации в развитии заболеваний у взрослых людей. Другой набор таких свидетельств был получен из исследований однояйцевых близнецов. Как мы уже говорили в предыдущей главе, однояйцевые близнецы появляются в результате единичного акта оплодотворения, когда одна зигота разделяется на две, генетически идентичные. На этом этапе развития генетический материал у двух организмов одинаков, так же как и эпигенетические модификации. Но на протяжении жизни эти модификации, в том числе метилирование ДНК, могут возникать индивидуально в ответ на особенности условий среды – например, воздействие химических веществ, низкие дозы радиации, характер питания и поведенческие сигналы. Если близнецы живут в разных условиях, возникает «эпигенетический дрифт» – уровень метилирования ДНК и прочих модификаций у двух близнецов может стать различным. Такие наследственные, связанные с возрастом заболевания, как диабет II типа, болезнь Альцгеймера и некоторые виды рака, в том числе груди и простаты, у однояйцевых близнецов вовсе не обязательно развиваются одинаково и в одно и то же время, что подтверждает роль в этих процессах среды, а не только генетического материала. Таким образом, можно сказать, что во многих случаях человек заболевает из-за особенностей своей эпигенетической модификации.

Химические вещества и эпигенетическая модификация.

В недавних исследованиях токсичных веществ было обнаружено, что все вещества, нарушающие работу эндокринной системы, – например, диэтилстильбэстрол, гинестеин (фитоэстроген, содержащийся в сое) или бисфенол А (пластификатор, используемый в производстве поликарбонатных материалов), – вызывают эпигенетические эффекты. Например, при назначении ДЭС в раннем младенческом возрасте происходит активация важных генов, влияющих на развитие, из-за эпигенетического гипометилирования. При этом изменения в экспрессии генов сохраняются надолго и во взрослом возрасте.

При рассмотрении в совокупности мультигенерационные эффекты веществ, воздействующих на эндокринную систему, оказываются еще сложнее, так как происходит взаимодействие изменений клеточных сигналов с эпигенетической модификацией. Такие вещества, как ДЭС, могут действовать через стероидные рецепторы и инициировать каскад процессов, приводящих к изменению экспрессии стероид-чувствительных генов. Эпигенетические процессы также могут играть свою роль в этой системе, так как активация некоторых из этих стероид-чувствительных генов зависит от степени метилирования. Поэтому эпигенетическая модификация играет роль в экспрессии генов и после получения стероидным рецептором неверного сигнала. Таким образом, вещества, нарушающие работу эндокринной системы, такие как ДЭС или бисфенол А, могут стимулировать экспрессию генов как на уровне рецепторов, так и на более позднем этапе, изменяя клеточные сигналы и воздействуя на метилирование ДНК.

Трансгенерационные эффекты.

Мультигенерационные эффекты воздействия токсичных веществ отражаются на поколениях, которые в момент воздействия уже присутствовали хотя бы в виде половых клеток. В то же время трансгенерационные эффекты проявляются и спустя очень длительное время после того, как воздействие состоялось. На первый взгляд сложно понять, как воздействие во время беременности может негативно влиять на следующие за внуками, то есть F2, поколения. Однако недавние эксперименты на грызунах показали, что мультигенерационные эффекты сохраняются и в поколении F3 и далее.

Первые зафиксированные случаи химически индуцированных трансгенерационных эффектов наблюдались при воздействии на крыс (поколение F0) пестицида винклозина – фунгицида, также являющегося антиандрогеном. Выяснилось, что в поколении F2, полученном при случайном скрещивании потомков из поколения F1, у подавляющего большинства самцов возникает специфический дефект сперматозоидов (увеличение уровня запрограммированной гибели клеток, или апоптоза). К удивлению ученых, этот дефект сохранялся и в последующих поколениях, вплоть до F4. Дополнительные эксперименты показали, что при скрещивании потомков мужского пола с самками из другой линии, не подвергавшейся воздействию, эффект также передается самцам последующих поколений, но при скрещивании самцов из другой линии с самками из экспериментальной он исчезает, что свидетельствует о том, что трансгенерационное нарушение передается по мужской линии.

За время, прошедшее после первых экспериментов с винклозином, стало понятно, что трансгенерационные эффекты не ограничиваются апоптозом сперматозоидов, и в последующих поколениях может наблюдаться целый ряд негативных последствий. Кроме того, исследования показали, что другие влияющие на эндокринную систему вещества, например диоксины, метоксихлор (смесь пестицидов, включающая перметрин), ДЭТА и углеводороды (реактивное топливо), также способны производить трансгенерационные эффекты, которые нередко передаются по линии одного пола (мужского или женского).

Как же воздействие, которое испытала ваша прапрабабка, может влиять на вас? Подобные трансгенерационные эффекты – отнюдь не научная фантастика, а неоднократно зафиксированная учеными реальность, обусловленная эпигенетическими механизмами, описанными выше. Чтобы понять, как все это происходит, необходимо снова вернуться к эпигенетической модификации и к тому, что происходит с ней от поколения к поколению.

Метилирование ДНК, происходящее в течение жизни отдельных индивидуумов (например, однояйцевых близнецов, о которых мы говорили выше), можно рассматривать как процесс прогрессивной модификации генетического материала. Однако при смене поколений этого не происходит, поскольку в определенные моменты развития все эпигенетические модификации фактически стираются. В период эмбрионального развития при морфологическом определении пола (развития того или иного типа половых желез) в будущих половых клетках происходит полное демитилирование, так что все метильные маркеры, накопившиеся в родительском поколении, удаляются.

Интересно, что сразу после такого демитилирования процесс метилирования ДНК начинается снова. Это необходимо, так как метилирование – фундаментальный механизм «выключения» определенных генов. Кроме того, благодаря эпигенетической модификации экспрессия некоторых, так называемых импринтинговых, генов может происходить только у родителя, который является их носителем. Такие гены нарушают нормальные законы наследования, согласно которым степень экспрессии генов каждого из родителей должна быть одинакова. Иными словами, гены с одной стороны (часто материнской) выключаются, а гены с другой (отцовской) – работают. Такие изменения экспрессии могут быть адаптивными, так как именно отцовские гены могут способствовать получению плодом всех необходимых ресурсов материнского организма, а материнские – более равномерному распределению генетических ресурсов между матерью и плодом (или несколькими). Таким образом, процесс геномного импринтинга – это эпигенетический механизм, благодаря которому отец гарантирует своему потомству наилучшие условия внутриутробного развития.

В настоящее время ученые сходятся во мнении, что такие химические вещества, как винклозин, воздействуют на последующие поколения путем геноподобного импринтинга. После демитилирования эпигенетические маркеры, связанные с определенными заболеваниями, так же как и полезные импринтинговые гены, вновь метилируются и снова закрепляются в эпигеноме. Подобно маскирующимся под клеточные сигналы чужеродным веществам, некоторые токсины вызывают эпигенетические изменения, которые могут сохраняться в потомстве как минимум до четвертого поколения. Экзогенные химические вещества «взламывают» естественные и необходимые биологические процессы, нанося долговременный ущерб.

Эпигенетика действительно подрывает идеи и определения классической токсикологии. Если вещество вызывает изменения в геноме, которые отражаются на многих поколениях после конкретного воздействия, стоит ли считать этот эффект принадлежащим к сфере токсикологии или лучше рассматривать его как проблему биологии развития или молекулярной генетики? Кроме того, следует ли требовать от компаний-производителей таких веществ, как винклозин или метоксихлор, тестировать безопасность их продукции на многих поколениях потомков?