ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Біологія — 04.08.22
    ТЕКСТ: Леся Сіщук
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Майже пів року українці здригаються від кожного гучного звуку й засинають під виття сирен. Кожного дня ми сподіваємося, що цей жах скоро закінчиться і життя повернеться в звичне русло. Але, на жаль, як показують останні дослідження в галузі епігенетики, війна, голод та важкі психологічні травми можуть залишати свій слід не тільки в історії, а й у геномі людини.

    Громадянська війна в США, Голокост і Голодомор. Як діти несуть хрест своїх батьків?

     

    У 1865 році після закінчення громадянської війни в США військовополонені повернулися до своїх домівок, але життя для них вже не було таким, як раніше. Крім проблем зі здоров’ям та сном, вони зіткнулися з посттравматичним синдромом – важким психічним станом, який навіть у комфортних умовах життя не дозволяє людині почуватись у безпеці. Звісно, така важка рана як війна не може загоїтись, щойно вщухнуть вибухи. Але найболючіше в цій історії те, що вона не закінчилася на військовополонених. Дослідниця з Каліфорнійського університету Дора Коста порівняла дані 4600 дітей військовополонених (народжених після війни) та дітей, батько яких не був у полоні. З’ясувалося, що в перших рівень смертності був на 11% вищим, хоча обидві групи народилися вже в мирний час і в достатку. У дорослому віці в таких людей був значно вищий ризик крововиливу в мозок та злоякісних новоутворень. Цікаво, що така позитивна кореляція простежувалася лише по чоловічій лінії1.

     

    Аналогічну тенденцію для чоловіків виявили й дослідження постраждалих від голоду в Нідерландах. 1944 рік став важким випробуванням для мешканців цієї країни. Нацисти затопили поля, які стали непридатними для обробки, наклали ембарго на продовольство й перекрили всі шляхи для поставок. Люди з жахом чекали на неминуче. Протягом перших трьох місяців населення отримувало третину від необхідної кількості калорій, але в листопаді запаси закінчилися. Люди відчайдушно боролись за життя: варили цибулини тюльпанів, робили з них борошно, їли траву. Зима видалася найхолоднішою в столітті, люди спалювали меблі, огорожі, залізничні шпали, зрізали дерева в парках, щоб зігрітись. Ця зима отримала історичну назву Голодна і забрала життя близько 20 тисяч людей2.

     

    7 травня 1945 Вермахт залишив Нідерланди. Здавалося б, життя могло стати щасливим і безтурботним для дітей, які навіть не запам’ятали ці страшні часи. Однак, як виявилось, діти, народжені під час голоду, сильно відрізнялись від інших поколінь цієї нації і між собою. Якщо мати голодувала на останніх термінах вагітності, малюки народжувалися з меншою вагою. Протягом всього життя, незалежно від зовнішніх умов, вони зберігали низьку масу тіла й невеликий зріст, що геть не характерно для типових нідерландців – володарів титулу найвищої нації у світі. Кардинально протилежна ситуація з жінками, яких голод застав на ранніх термінах вагітності. Немовлята народжувалися з нормальною вагою, проте в зрілому віці вони були більш схильні до ожиріння та цукрового діабету другого типу3.

     

    Схожі результати були отримані й під час дослідження Голодомору в Україні. У 2015 році в журналі Lancet була опублікована стаття, що аналізувала 43 150 випадків цукрового діабету, зареєстрованих в Україні з 2000 по 2008 рік. Дослідники вибрали людей, народжених з 1930 по 1938 рік у регіонах, де був найсильніший голод. Знаючи дату народження, вчені визначили термін вагітності, на якому перебувала мати досліджуваного. Як з’ясувалося, діти, що разом з мамою голодували на ранніх термінах вагітності, в 1,5 раза частіше страждали від цукрового діабету другого типу в дорослому віці. Водночас у регіонах, де голод не був настільки гострим, такого зростання цієї хвороби в нащадків не спостерігалось4.

     

    Як це можна пояснити? Чому діти розплачуються за страждання батьків?

    Проблема чи адаптація?

     

    Як життя батьків може залишити такий сильний відбиток на життях дітей? Цей феномен вперше спробували пояснити вчені з Нової Зеландії Пітер Ґлюкмен і Марк Генсон, висунувши «гіпотезу невідповідності». Вони припустили, що організм плоду намагається «заглянути» в майбутнє – спрогнозувати умови, які чекають на нього після народження, і за допомогою певного біологічного механізму заздалегідь підготуватись до них. Якщо очікувані умови збіглися з реальними – отримуємо круту адаптацію, яка ще не раз допоможе організму. Якщо прогноз не здійснюється – адаптація в кращому випадку просто не знадобиться, в гіршому – може призвести до проблем чи навіть захворювань. Все як з прогнозом погоди: якщо не справдився – промокнеш до нитки і захворієш.

     

    Ця гіпотеза могла б пояснити, чому діти після голоду матерів на різних термінах вагітності так разюче не схожі між собою. У малюків на ранніх термінах організм тільки починає формуватися, і якщо мамі не вистачає поживних речовин, він трохи змінює генетичний шаблон накопичення і про всяк випадок запасає більше. Тому після народження, потрапивши в середовище з достатньою кількістю їжі, організм, на жаль, не може «вимкнути» цю адаптацію, накопичує більше, ніж потрібно, і внаслідок цього виникають метаболічні розлади, ожиріння і високий ризик розвитку діабету другого типу. І навпаки, організми, яким не вистачало поживних речовин вже перед самим народженням, не відчували, що ця проблема може бути тривалою, адже спочатку все було в порядку. Попри те, що вони народжувалися з меншою вагою та зростом, ризик метаболічних захворювань у них був значно нижчим.

     

    Звісно, дослідження даних людей – це цікаво, але, все-таки, це люди. Надто широкий спектр факторів неможливо усунути: може, військовополонені США через свою травму погано ставилися до своїх дітей, а народжені після голоду немовлята стали заручниками турботи рідних, які не хотіли, щоб їхні нащадки голодували, як вони самі. Які є експериментальні підтвердження цієї гіпотези?

    Стійкі дитинчата нематод, які помирають, і миші, що бояться вишень. Як експериментально перевірити справедливість «гіпотези невідповідності»?

     

    Щоб з’ясувати, чи справді зовнішні умови життя батьків мають такий сильний вплив на наступні покоління, насамперед потрібно звести до мінімуму будь-які можливі відмінності між учасниками експерименту. Звісно, в природних умовах це неможливо, проте в лабораторіях розводять спеціальні чисті лінії мишей, дослідження на яких набагато точніші, ніж на звичайних тваринах. Саме на таких мишах американський біолог Ренді Джертл успішно показав, що миші з абсолютно ідентичним ДНК можуть народитися зовсім різними. Він годував генетично однакових вагітних мишей різним кормом. В одних в раціоні, крім звичного корму, були вітаміни та біодобавки – їхні дитинчата народжувалися здоровими і з бурим кольором шерсті. Іншим пощастило менше – корм був менш поживним і без додаткового джерела вітамінів. Як наслідок, народилися кволі й хворобливі мишенята жовтого кольору: їхній організм всіма силами намагався еконимити енергію і виробляв менше пігменту. Подальший аналіз ДНК показав, що послідовності нуклеотидів, з яких складається ДНК, в обох груп все ще однакові.

     

    Попередній експеримент відтворював умови голоду, а як щодо військовополонених США? Чи можна такий негативний досвід перевірити в лабораторних умовах? Можна. Але, звісно, ніхто не будуватиме для мишей концтаборів. Натомість вчені перевірили, чи може стрес батьків впливати на потомство. Під час експерименту в клітки закачували ацетофенон – речовину, яка схожа на аромат цвіту вишні. Як тільки з’являвся запах, дослідники вдаряли струмом по лапках мишей. Після кількох таких повторів миші розуміли, що ці дві події пов’язані, і починали боятись запаху цвіту вишні. Їхні нащадки після народження жили в окремих клітках від батька, отже він ніяк не міг передати їм свій досвід. Але коли в клітки потрапляв ацетофенон, вони реагували підвищеною активністю та нервозністю, хоча струмом їх ніколи не вдаряли. Цікаво, що наступне покоління вже значно спокійніше реагувало на цей запах, але підвищена чутливість до нього все ще зберігалась1.

     

    Ще одним яскравим доказом впливу травми батьків на нащадків є експеримент з нематодами. Це мікроскопічні черв’ячки, які живляться бактеріями. У виборі обіду вони не надто перебірливі, тому іноді можуть отруїтись шкідливими бактеріями і загинути. Вчені помітили, що з’їдаючи таку небезпечну їжу, нематоди часто перед смертю відкладають яйця. Звучить досить дивно, але далі ще цікавіше. Їхні нащадки протягом всього життя уникають патогенних бактерій, від яких загинули батьки, тобто їм передавався досвід, що був засвоєний  уже перед самою смертю5.

     

    З попередніх досліджень можна зробити висновок, що генетична інформація не змінюється протягом життя (за винятком мутацій), але існує щось, що може вносити корективи в те, як вона проявляється чи не проявляється. Що може керувати нашим ДНК, немов маріонеткою?

    ДНК-масони: хто керує клітиною насправді?

     

    Навіть той, хто прогулював уроки біології в школі, знає, що вся інформація про нас записана в особливій молекулі ДНК. Половина генетичної інформації нам дістається від мами, інша половина – від батька. Саме ця інформація визначає наші зовнішність, характер і схильності.

     

    Особливості успадкування вивчає генетика. З моменту виникнення ця галузь досягла чималих успіхів. Одним з найвидатніших здобутків став проєкт «Геном людини», який завершився у 2003 році. Його метою було визначити кількість генів людини, їхні розташування та функції. Вчені і медики покладали неабиякі надії на розшифрування геному людини. Адже якщо геном стає відкритою книгою, можна створювати новітні препарати для боротьби з успадкованими хворобами. Найбільші оптимісти навіть сподівались оголосити війну старінню. Проте результати цього масштабного дослідження виявились просто шокуючими. З’ясувалося, що в ДНК людини закодовано всього близько 22 тисяч генів, а це набагато менше, ніж в рослин та амеб. Чому такі високоорганізовані організми, як люди, можуть послуговуватися такою мізерною кількістю генів?

     

    Весь секрет у регуляції активності генів. Звучить складно, складно виконується, але пояснити легко. У людини близько двох сотень різних типів клітин, проте всі вони розвинулись із першої клітини, що утворилась при заплідненні, тобто ДНК у них абсолютно однакове. Отже, існує механізм, який в різних клітинах вмикає тільки потрібні гени, щоб клітини відрізнялись і виконували різноманітні функції. Найцікавіше те, що цей механізм працює не тільки за спланованим сценарієм, а й вносить корективи в процесі, як інтерактивний фільм – сюжет змінюється залежно від твого вибору.

     

    Дослідженням такої регуляції і займається наука епігенетика. Префікс «епі-» з грецької перекладається «над-», тобто об’єктом вивчення цієї науки є надгенетичні процеси, що регулюють активність генів. У клітинному ядрі містяться всі гени, але вони можуть вмикатись і вимикатись для того, щоб несформована клітина могла стати клітиною шкіри, крові чи печінки. Уявіть, що у вас є всі інструменти у світі. Якщо ви почнете вишивати інструментами сантехніка – навряд вийде щось путнє, але про всяк випадок ви тримаєте всі інструменти в гаражі і користуєтесь тільки потрібними. Те саме і з клітинами. Вони не використовують всі гени одночасно, кожна користується своїм набором інструментів: клітини очей чутливі до світла, клітини крові позбуваються ядра, щоб переносити більше кисню, клітини імунної системи, ніби контррозвідка, слідкують, щоб в організм не потрапили чутливі агенти. Епігеном роздає кожній клітині свої інструменти і так регулює, щоб кожна виконувала свої функції.

    Як це працює?

     

    Для початку слід згадати структуру ДНК. ДНК – велика молекула, що складається з нуклеотидів. Ланцюжки нуклеотидів сплітаються в подвійну спіраль (ми часто бачимо таку на вивісках лабораторій). Ця дволанцюгова спіраль дуже довга, тому для компактності вона намотується на білки-гістони, мов на котушки для ниток, які, своєю чергою, теж ретельно складаються в хромосому. Так от, щільність намотування ДНК на гістони є одним із методів епігенетичної регуляції. Ті ділянки, які менш потрібні, намотуються щільніше, і спеціальні «сканери» генів не можуть до них дістатись, тоді як потрібні гени намотані вільно і завжди лежать під рукою. Крім того, ці білки-гістони можуть модифікуватись – змінювати форму, щоб у потрібних ділянках ДНК сиділа вільніше6.

     

    Ще один спосіб – метилювання. До нуклеотидів приєднуються метильні групи, що працюють як «вимикачі». Якщо приєднати такий вимикач, ген теж не зможе «зчитуватись». Якщо він раптом знадобиться, можна його деметилювати, це зворотний процес7.

     

    Епігенетика має в своєму арсеналі ще низку інструментів, і всі вони діють, ніби маркери для тексту – виділяють необхідне, щоб швидше зорієнтуватись у великому масиві інформації.

     

    А якщо сьогодні важливо одне, а завтра – інше? На жаль, зі свого досвіду ми розуміємо, що світ дуже нестабільний, і якщо минулого року ми шукали в інтернеті смішних цуценят, то після 24 лютого наші запити – це «що робити в разі хімічної атаки?», «що входить до тривожної валізи?», «як надійно заклеїти вікна?». Саме через таку нестабільність механізми пристосування і не обмежилися класичними мутаціями, природним добором, менделівським успадкуванням. Вони, звісно, ефективні, але для їхнього встановлення потрібні тисячоліття. Звісно, є ще надшвидке реагування – викид гормонів у стресових ситуаціях, але ефект від них короткочасний. Саме тому природа подбала про епігенетичну регуляцію, яка дає можливість організму пристосовуватись до конкретних умов на одне-три покоління, не змінюючи послідовності ДНК і за потреби дозволяючи повернутись до заводських налаштувань.

    Що може вплинути на епігенетичну регуляцію?

     

    Ключовими факторами епігенетичних змін, крім стресу і харчування, можуть бути також природні і кліматичні умови. Дослідження на рослинах і комахах показали, що за аномально низьких температур в організмі запускаються захисні механізми і стратегії, націлені на подолання стресу. Кардинально відмінна ситуація спостерігалась за підвищення температури. Нормальна температура тіла для людини становить 36,6 градусів, і організм витрачає велику кількість енергії, щоб підтримувати її, навіть коли на вулиці пекельна спека. Чому це так важливо? Коли температура тіла піднімається набагато вище від оптимальної, відбувається денатурація білків. Цей процес ми бачимо щоранку, коли готуємо яєчню. Прозорий тягучий білок стає білим і відносно твердим за рахунок того, що на гарячій сковороді білок втрачає свою структуру. Денатурація білків нашого і більшості теплокровних організмів починається за температури 40 градусів, тому коли ми хворіємо, теж опиняємося в небезпеці. Але й тут епігенетика про нас подбала. При дії високих температур запускаються гени, що створюють білки теплового шоку, вони допомагають іншим білкам на втрачати свою структуру й функції і правильно формуватися. Тобто за зниженої і підвищеної температури організм має різні стратегії захисту: в холодних умовах запускається захист від стресу, в спекотних – захист білків від руйнування8.

     

    Інфекційні хвороби теж можуть викликати зміни в зчитуванні генів. Два роки тому ковід добряче сколихнув світ. Нам довелося звикати до нових онлайн-реалій: уроків у школах та університетах, віддаленої роботи, шопінгу та замовлення їжі. Це та проблеми зі здоров’ям, на жаль, не єдині незручності, які приносять віруси. Віруси змінюють нашу ДНК і впливають на епігенетичну регуляцію генів.

     

    Вірус – це просто ланцюжок ДНК в оболонці. Він не може самостійно розмножуватися, як клітинні форми життя. Натомість він непомітно проникає в нашу клітину і вбудовує свою ДНК в нашу, щоб ми самі її і відтворювали. Вірус – як хитрий суфлер в театрі, з-за лаштунків він підказує неправильні слова. Герпес, папілома, ВІЛ, гепатит В – всі вони назавжди залишаються в нашому геномі й можуть впливати на метилювання та модифікації гістонів так, щоб зчитувалися їхні власні гени.

     

    Бактеріальні захворювання, викликані хламідіями, хелікобактер пілорі, мікобактеріями, а також паразитом токсоплазмою також можуть захоплювати ядерні функції хазяїна, щоб ухилятись від імунної відповіді організму. Вони імітують ферменти метилювання і модифікації гістонів, щоб вимикати гени, які можуть подати сигнал про небезпеку, або продовжити життя клітини, в якій паразитують9.

     

    Соціальна складова епігеному. Медичні дослідження не стоять на місці. Останніми роками вчені зосередили свої дослідження на так званій соціальній детермінанті здоров’я – сукупності немедичних факторів, які впливають на здоров’я. До них належать система цінностей та установок людини, її освіта, поведінка, соціальні взаємодії, благополуччя сім’ї, в якій росте дитина.

     

    Наслідки матеріального дефіциту (наприклад, їжі і води), як бачимо, можуть значно вплинути на стан здоров’я кількох поколінь. А як щодо соціального неблагополуччя? Масштабні дослідження останніх років показують, що життєвий досвід, особливо ранній, може залишити значний відбиток на епігенетичній регуляції. Так, експерименти на щурах показали, що турбота матері на ранніх етапах розвитку сильно впливає на здатність малюків долати стрес за рахунок посилення метилювання генів глюкокортикоїдів (гормонів стресу) та естрогену (його ще називають гормоном жіночої привабливості). З іншого боку, тварини, які в ранньому віці пережили соціальну ізоляцію чи нестабільність, мали зміни в ділянках генів клітин центральної нервової системи.

     

    Підтвердження цього феномену в людей дало дослідження ДНК жертв самогубства. Воно показало, що самогубці зі складним дитинством відрізнялись від контрольної групи самогубців підвищеним метилюванням того ж таки глюкокортикоїдного гену10.

     

    Нічні зміни. Нічні зміни на роботі також мають негативний вплив на малюнок метилювання ДНК. Ген CLOCK регулює наш циркадний ритм, завдяки якому ми прокидаємось вранці, а ввечері нас хилить на сон. Коли ми не дотримуємося режиму дня, наш геном перепрограмовується, щоб підлаштуватись під нічні зміни чи сесію. Все було б нормально, але разом з геном CLOCK  метилюються і гени, що відповідають за запальні реакції11. Тобто режим дня не тільки впливає на самопочуття, а й може змінювати наші гени, і якщо він правильний, ще й підтримувати імунітет.

     

    Трохи оптимізму. Негативних факторів впливу, як бачимо, більше, ніж здавалось. Чи працює це в зворотному напрямку? Чи може епігенетика бути на нашому боці? Звісно!

     

    Найяскравіший приклад впливу раціону можна знайти у вулику. Всі бджоли в одному вулику мають ідентичні ДНК, адже бджолина матка одна. Чому тоді одні мають потенціал стати маткою, а інші так і залишаються звичайними трудівницями? Річ у тому, що через три дні після вилуплювання одних крихіток переводять на корм зі звичайного пилку і нектару, а інших годують маточним молочком – воно збагачене вітамінами та фолієвою кислотою, які мають надзвичайний вплив на метилювання ДНК. У 2008 вченим навіть вдалося отримати бджолиних маток без допомоги маточного молочка – вони тільки маніпулювали епігенетичними перемикачами.

     

    Іншим прикладом важливості фолієвої кислоти та вітаміну В12 став експеримент Ренді Джертла і Роберта Вотерленда із Дюкського університету. Вони вбудували мишам ген ожиріння, а під час вагітності додавали до їхнього корму фолієву кислоту, В12, холін і метіонін. Як наслідок, такі миші змогли виростити цілком здорових малюків13.

     

    Крім того, куркума, соя, зелений чай, багатий білками раціон – все це має позитивний вплив на епігенетичні мітки, до того ж різні продукти можуть бути критично важливими на різних етапах життя14.

     

    Заняття спортом і відмова від куріння, обмеження, за можливості, стресових чинників – все це може запускати метилювання ДНК. Такий самий ефект має і м’який клімат та чисте повітря. Недарма ж так багато довгожителів живуть на островах.

    Усе залежить від нас

     

    Війни, голод, клімат, хвороби та навіть соціальні фактори – все це впливає на наш унікальний малюнок вимикачів генів, але епігенетика – це не тільки про погане. Епігенетика – про відповідальність за власне здоров’я і здоров’я наступних поколінь. Звісно, ми не в змозі вплинути на війну, але ми можемо зробити все, що від нас залежить, для зменшення цього жахливого впливу: займатися спортом, збалансувати раціон, обмежити себе, наскільки можна, від поганих новин, турбуватися про дітей не тільки фізично, а й підтримувати їх і підбадьорювати. Усвідомлення, що від нас залежить доля наших дітей – чим не хороший стимул відволіктись від новин, купити абрикосів і вийти на прогулянку, хоча б коротеньку?

    ТЕКСТ: Леся Сіщук
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Посилання
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Космос
    Що таке сонячні плями і чи впливають вони на людей

    Чи можуть спалахи на Сонці та магнітні бурі провокувати погане самопочуття в людей?