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?

Глава 19. Еще раз о природных ядах.

От кори ты трясешься, От свинки ты пухнешь, От ветрянки прыгаешь и вертишься. Обычная простуда сводит тебя с ума, Коклюш тебя замораживает, А ядовитый плющ вызывает страшный зуд! Джерри Либер и Майк Столлер, «Ядовитый плющ» (песня группы The Coaster).

В главе 8 мы уже рассматривали природные яды – вещества, которые некоторые виды используют в своей борьбе за существование. Например, гремучей змее нужен яд, чтобы нейтрализовать грызуна, предназначенного ей на обед. Такие токсины должны вводиться в тело жертвы с помощью иголок, клыков или жала. В других случаях яд сохраняется в теле животного и воздействует на хищника, который съедает или пытается съесть такую ядовитую жертву. Например, ткани рыбы-ежа съедобны, но содержат тетродотоксин, и, чтобы не получить летальную дозу во время обеда, нужны большие предосторожности в процессе приготовления.

В описанных выше случаях токсины не попадают в окружающую среду и достаются тому, кому предназначены. Однако есть другие примеры природных ядов, которые не попадают в эту категорию, так как между производителем токсичной молекулы и ее реципиентом возникает разрыв. Иными словами, эти природные яды могут попадать в среду, сохраняя свою токсичность.

Один из самых известных биологических токсинов, способных попадать в окружающую среду, – урушиол, маслянистое вещество, содержащееся в ядовитом плюще и сумахе. Урушиол при контакте с кожей вызывает аллергическую реакцию, но, что интересно, это вещество не выделяется на поверхности органов растения, а содержится внутри него. Если вы легонько прикоснетесь к неповрежденному листу, с вами ничего не будет. Выделение урушиола происходит только при повреждении органов растения. К несчастью, растения этих видов очень хрупкие, и выделение яда может происходить даже через мельчайшие отверстия, оставленные насекомыми, так что маловероятно, что, проходя мимо, вы столкнетесь с неповрежденным растением.

Когда урушиол выделяется из тканей растения в окружающую среду, его ядовитые свойства, а также значительная устойчивость, становятся очевидны. Урушиол – жирорастворимое вещество, которое практически невозможно просто смыть водой. Кроме того, это очень сильный яд: всего лишь одного нанограмма (одной миллиардной части грамма) достаточно, чтобы вызвать зуд. Однако он не только силен, но еще и удивительно устойчив: известны случаи, когда токсичные свойства сохранялись у урушиола, полученного сотни лет назад. Мертвые части растения – листья, стебли и корни – сохраняют токсичность, так как масло остается активным на любой поверхности, в том числе на мертвых растениях, в течение как минимум пяти лет, а порой во много раз дольше. Маслянистая природа вещества, его высокая токсическая активность и устойчивость создают весьма неприятный токсин. Вторичный контакт (горизонтальная передача яда от растения на мех животного и далее на кожу человека или от растения на одежду, а затем на кожу) с ним не просто возможен, но и происходит очень часто, и нередко наши домашние питомцы приносят токсин со двора в дом, где он оказывается на руках хозяев. Точно так же можно передать урушиол со своей одежды спустя много времени после того, как произошел контакт с его источником. Если же скосить или сжечь ядовитое растение, урушиол может попасть в атмосферу, где продолжает оставаться токсичным. Особенно опасно вдыхание аэрозоля, так как, помимо кожного зуда, урушиол может вызывать раздражение и отек тканей вокруг глаз, а также в глотке и даже легких.

Растения – не единственные организмы, чьи яды могут передаваться через окружающую среду. Разнообразные виды бактерий производят экзотоксины – химические вещества, которые после секреции остаются там, где бактерии уже перестали расти. Обычно это белки, взаимодействующие с клетками хозяина, и в большинстве случаев они оказывают воздействие на ткани, находящиеся далеко от выделившей экзотоксин бактериальной клетки. Многие из них являются причинами болезней, в том числе таких хорошо известных и унесших много жизней на протяжении человеческой истории, как ботулизм, дифтерия и столбняк. Все эти заболевания вызываются не самим бактериями, а именно секретируемыми ими экзотоксинами. Прекрасный пример этого явления – нейротоксины, вырабатываемые бактерией C. botulinum.

Существуют семь различных форм ботулотоксина, одна из которых, ботулотоксин А, является самым токсичным из всех известных на сегодняшний день веществ. Ботулотоксин А присоединяется к пресинаптической мембране нейрона, секретирующего ацетилхолин, мешая этой секреции (см. главу 8). C. botulinum – облигатный анаэроб, то есть эти бактерии растут, размножаются и производят нейротоксины только в анаэробной (лишенной кислорода) среде. Но споры C. botulinum устойчивы к кислороду и высокой температуре. Большинство людей сталкиваются с ботулотоксином при отравлении плохо приготовленными консервированными продуктами, однако цикл развития C. botulinum связан с внешней средой, и для его завершения необходим экзотоксин.

Споры C. botulinum можно обнаружить повсеместно в осадочных отложениях и воде многих водоемов. Одно из условий, способствующих росту бактерий, – стоячая теплая вода с большим количеством нитчатых сине-зеленых водорослей. Масса водорослей постепенно отмирает и начинает разлагаться, создавая небольшие участки анаэробной среды, насыщенной органикой, где C. botulinum может процветать. Начиная расти, бактерии обязательно производят ботулотоксин. Утки и другая водная дичь могут подвергаться воздействию нейротоксина, затем погибают и также начинают разлагаться, становясь инкубаторами для бактерий, производящих еще больше ботулотоксина. Личинки мух и другие насекомые-падальщики, питающиеся разлагающейся плотью, обладают устойчивостью к нейротоксину, однако они становятся переносчиками как самого вещества, так и производящих его бактерий. Птица, питающаяся этими насекомыми, также может погибнуть от отравления, начать разлагаться и стать новым инкубатором для ботулиновых микроорганизмов. Этот жизненный цикл (известный как цикл «труп – личинки») поддерживает сам себя и может приводить к вспышкам ботулизма, уничтожающим большое количество водной дичи.

Урушиол и ботулотоксин – хорошо изученные вещества, воздействующие на известные мишени известным путем. Однако существуют и другие токсины, менее понятные, воздействие которых может носить случайный характер. Возьмем, к примеру, прионы. Прионы – это белки, которые могут быть свернуты по-разному: прион нормальной конфигурации безвреден, а в другой форме может становиться возбудителем заболеваний. Аминокислотная последовательность белка остается одной и той же, однако его трехмерная структура может меняться. Инфекционный прион может воздействовать на нормальные прионные белки, превращая их в болезнетворные, и таким образом происходит его репликация.

При наличии большого количества инфекционных прионов они собираются вместе, образуя фибриллы, и ученые считают, что именно они вызывают заболевания. Прионы – причина целого ряда дегенеративных поражений мозга, включая губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота (коровье бешенство), почесуху овец и коз, хроническую энцефалопатию у диких оленьих и синдром Крейтцфельда – Якоба у человека. Прионы – это инфекционные агенты, вещества, занимающее некое промежуточное положение между болезнетворными бактериями и вирусами и токсичными веществами. Инфекционные заболевания вызываются организмами, содержащими генетический материал в форме ДНК или РНК – вирусами, бактериями или грибами. Инфекционные заболевания являются компонентом живых систем, и, если болезнетворный организм удалить из организма хозяина, на этот организм во внешней среде будут действовать определенные биологические ограничения. Многие вирулентные (заразные) вирусы и бактерии не способны выживать без хозяина, и время их существования на коже или какой-то сухой и твердой поверхности весьма непродолжительно.

Инфекционные прионы, напротив, могут реплицироваться без участия ДНК или РНК. Кроме того, их горизонтальная передача от одной особи-хозяина к другой может происходить как биологическим путем, так и через окружающую среду. Биологическая передача у представителей семейства оленей может происходить через жидкости тела. Олени – стадные животные со сложной социальной организацией. Между ними очень часто происходит контакт через слюну, мочу, фекалии или околоплодную жидкость при рождении детенышей. Поэтому прионная инфекция от одного животного может очень легко переноситься на других членов стада.

Передача через окружающую среду также возможна. Описан случай, когда овец пустили на поле, где 16 лет назад паслись овцы, зараженные почесухой, и они также заболели, что свидетельствует о том, что инфекционный агент способен очень долго сохраняться в окружающей среде. Установлено, что прионы могут присоединяться к определенным типам частиц почвы, и даже в таком связанном состоянии оказываются доступны для животных, пасущихся на зараженном пастбище. В отличие от живых организмов, молекулы прионов в среде ведут себя как химические вещества. Так же как урушиол ядовитого плюща или ботулотоксин, они могут долгое время сохраняться в среде независимо от организмов, которые их произвели.

Синдром Крейтцфельда – Якоба – редкое заболевание, поражающее всего одного-двух человек на миллион в год. Большая часть (85 %) этих случаев возникает не в результате горизонтальной передачи от животных или из окружающей среды, а из-за спонтанного преобразования неинфекционных форм приона, которые присутствуют в организме каждого человека. Нарушение структуры прионных белков, порождающее инфекционную форму, чаще всего происходит у людей старше 65 лет и обычно приводит к смерти в течение полугода после появления первых симптомов.

Так называемый новый вариант болезни Крейтцфельда – Якоба, разновидность коровьего бешенства, был впервые отмечен только в 1990-х гг. Считается, что в данном случае человек заболевает при поедании коровьего мяса и субпродуктов, загрязненных тканями головного или спинного мозга больных животных. Хотя это заболевание остается очень редким (в США было зафиксировано всего четыре случая), обнаруженная возможность передачи коровьего бешенства от скота к человеку вызвала беспокойство в отношении надлежащих способов избавления от зараженного скота. В процессе переработки неиспользованного органического материала, остающегося после разделки туш, прионы могут попадать либо в сами продукты, либо в сточные воды. При захоронении зараженных туш прионы также могут попадать в окружающую среду и загрязнять почву и воду.

Живые организмы, вырабатывающие различные природные яды, тратят на это значительные энергетические ресурсы, так что, если яд не обеспечивает очевидных преимуществ в борьбе за существование, его выработка бессмысленна. Учитывая это, токсичные вещества обычно вырабатываются организмами в ограниченных количествах и непостоянно. Прионы переворачивают эту идею с ног на голову, так как возникают случайным образом. Кроме того, они самостоятельно реплицируются, и поэтому кривая зависимости реакции от дозы к ним практически неприменима. Концентрация прионов в нервных тканях зараженного животного обычно увеличивается постоянно даже без поступления новых прионов извне. Однако в то же самое время прионы не ведут себя во внешней среде как природные органические вещества, так как сохраняются очень долго, поэтому воздействие биоактивных прионов через среду – достаточно обычное дело. Таким образом, прионы представляют собой особый класс веществ, которые нельзя отнести ни к живым системам, ни просто к токсичным веществам, поскольку они обладают некоторыми чертами и тех и других.