Современные яды: Дозы, действие, последствия

Колок Алан

Глава 18

Воздействие на самой ранней стадии: трансгенерационная токсикология

 

 

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?