Метилирование ЛНК и поведение
Ю.Э.Гербек, С.Р.Хантемирова
Любой признак формируется на основе генотипа, а также под действием среды, влияние которой иногда преобладает (особенно это касается поведения). Долгое время считали, что личность и характер человека формирует только окружающая среда (события жизни, воспитание). Затем, с развитием генетики, популярность приобрела противоположная точка зрения, т.е. ответственность за формирование личности легла на плечи наследственности. Впрочем, относительно поведения человека эту точку зрения воспринимали с большим трудом. Тем не менее масса примеров, связанных с психологическими травмами родителей и различными воздействиями в ранний период развития, говорит о том, что работа генома может быть как-то скорректирована под влиянием внешних условий.
С развитием эпигенетики появилась возможность найти объяснение связи между наследственностью и средой. Выяснилось, что разнообразие живых организмов и тканей во многом зависит от эпигенетических механизмов, влияющих также и на работу центральной нервной системы и поведение. Конечно, от экспрессии гена до формирования признака существует довольно много ступеней модификации, например, синтез кодируемого геном белка, его доставка и активность могут быть
© Гербек Ю.Э., Хантемиров С.Р., 2014
Юрий Эмилъевич Гербек, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории эволюционной генетики Института цитологии и генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН). Область научных интересов — доместикация животных, микроэволюция, генетика поведения, эпигене-тика.
София Рашитовна Хантемирова, студентка 5-го курса Новосибирского государственного университета, проходит преддипломную практику в лаборатории эволюционной генетики ИЦиГ СО РАН. Занимается изучением экспрессии генов ДНК-метилтрансфераз крыс и лисиц, селекционируемых по поведению.
подавлены. Однако во многих случаях именно регуляция экспрессии гена служит решающим фактором для проявления признака.
Сегодня известны различные механизмы регуляции генной экспрессии, но мы остановимся на одном из них — на метилировании ДНК (присоединении метильной группы к некоторым цитозинам). Такая химическая модификация ДНК, возникнув на ранних этапах развития под действием внешних и внутренних факторов, может сохраняться в течение всей жизни организма, а иногда и передаваться от родителей детям [1 — 3]. Этим, в частности, объясняются те отсроченные эффекты детских психологических травм, которые проявляются в течение жизни.
Метилирование ДНК, которое встречается у многих организмов, не изменяет структуру кодируемого белка, но может влиять на экспрессию генов. У млекопитающих метильные группы присоединяются в основном к цитозинам, находящимися в паре с гуанином (CpG-динуклеотиды). Во многих случаях транскрипция ДНК зависит от количества метильных групп на данном участке: если их много, она неактивна, но становится активной с их уменьшением.
Особенно активно метилирование ДНК происходит в эмбриональный период и вскоре после рождения. Именно в это время обнаружено самое большое количество ДНК-метилтрансфе-раз (DNMT) — ферментов, осуществляющих этот процесс. Если работа одного (или нескольких) их генов полностью нарушена, организм погибает, не родившись, или в первые недели жизни [4]. После рождения количество ДНК-метилтрансфе-раз постепенно уменьшается, однако в нейронах этих ферментов остается достаточно много, что, видимо, указывает на их важную роль в нервной системе [5].
Материнское поведение и метилирование ДНК
Один из наиболее интересных и хорошо изученных примеров влияния метилирования ДНК на поведение связан с материнской заботой у крыс. Группа канадских исследователей под руководством М.Мини изучила отсроченные эффекты материнской заботы, проявляющиеся у взрослых животных [6]. Из лабораторной популяции крыс отобрали две группы с крайней формой поведения. Животные из первой группы активно ухаживали
Материнское поведение крысы.
Фото Р.В.Кожемякиной
за своими детенышами (вылизывали их, чистили им шерсть), тогда как во второй группе забота о потомстве проявлялась значительно меньше (крысы были тревожнее и в большей степени поддавались стрессу). Эти особенности поведения устойчиво сохранялись у потомства в каждой группе. Так, крысят, рожденных заботливыми матерями, вскармливали крысы из группы с низким уровнем материнского поведения и наоборот (рис.1,я).
2)
,4?
2-е поколение
го о* го
5
а
Рис.1. Схема экспериментов по изменению материнского поведения крыс. Перекрестное воспитание (а): 1 — крысы с низким уровнем материнского поведения (Р-) вскармливают потомство крыс с высоким материнским поведением (Р+), и наоборот. 2 — материнское поведение потомства (Р-) соответствует поведению выкармливавших его крыс Р+; (б) отсаживание матери от детенышей в их первые недели жизни усиливает материнскую заботу [б].
Интересно, что выросшие крысята обладали всеми особенностями поведения вскармливающих их крыс, а не биологических матерей. Эти черты передавались в ряду поколений по материнской линии. Забота о крысятах усиливалась, если в течение первых недель жизни их ненадолго отсаживали от матерей, которые после возвращения детенышей в клетку начинали их активно вылизывать (рис.1,б).
Реакция на стресс оценивается по количеству его гормонов, глюкокортикоидов, выброс которых в кровь регулируют рецепторы, находящиеся в разных отделах мозга, в первую очередь в гиппокампе. Они через цепочку взаимодействий останавливают выброс гормона. Глюкокортикоидные рецепторы кодируются одним геном, ^3с1. Соответственно, если рецепторов в гиппокампе много, стресс купируется быстро, а если мало, его последствия будут более продолжительны. У крыс с низким уровнем материнской заботы рецепторов в гиппо-кампе оказалось меньше, чем у животных с противоположным поведением. Это связано с пониженной активностью гена ^3с1. Она вызвана метилированием его регуляторного участка, происходящего на фоне повышенного количества ДНК-ме-тилтрансферазы DNMT1 (рис.2). У крысят этот участок ДНК метилируется в первый же день после рождения. Однако если мать часто вылизывает детенышей и чистит им шерсть, то в течение нескольких дней их жизни ключевой CpG-динуклеотид регуля-торного района теряет метиль-ную группу (деметилируется), в то время как другие остаются метилированы.
Такой механизм отсроченных эффектов ранних воздействий, видимо, имеет место и у человека. Об этом говорят работы, проведенные теми же исследователями под руководством М.Мини на двух группах самоубийц (участники первой группы росли в неблагоприятной среде, о второй группе таких данных нет). Контролем служили люди, погибшие в несчастных случаях. У самоубийц первой группы глюкокортикоидных рецепторов в гиппокампе оказалось меньше, а его ген был метилирован сильнее по сравнению с другой группой и контролем [7]. Схожесть описанных изменений у крысы и у человека дала основание предположить, что в метилировании гена Nr3c1 в гиппокампе и заключается
ключевой механизм ранних воздействий. Но обусловлен ли описанный феномен только эпигенетически и не связан ли он с генотипом исследованных людей и животных?
Метилирование гена рецептора глюкокортикоидов у диких крыс
Считается, что влияние раннего опыта на становление стресс-ответа и развитие центральной нервной системы у лабораторных крыс отражает пластичность этих систем у диких животных, т.е. возможность адаптации к различным условиям среды. В дикой популяции крыс существует социальная иерархия, из-за которой особи обитают в различной по комфортности и богатству ресурсами среде, поэтому самкам требуется разное время для добывания пищи. Если расстояние до источника пищи и воды небольшое, самка часто покидает гнездо и быстро возвращается, время контактов с детенышами увеличивается — приходя назад, она каждый раз вылизывает крысят и чистит им шерсть. Как и в случае с отсаживанием крысят от матери или при выраженной материн-
Рис.2. Механизмы отсроченных эффектов материнского поведения. У особей, воспитанных при недостатке материнской заботы, регуляторный участок гена глюкокортикоидого гормона (Иг3с) метилирован (Ме), его экспрессия понижена, что приводит к повышенной тревожности и подверженности стрессам во взрослом состоянии [6, 7].
ской заботе, выросшие потомки должны быть меньше подвержены стрессу. Если же пища далеко, то самка редко и надолго (иногда на 2 — 3 часа) покидает гнездо, оставляя крысят без внимания. Повышенный ответ на стресс более адаптивен для мест на краю ареала, где мало еды и много хищников [8]. Согласно описанному механизму, у таких крыс в регуляторных участках гена Мт3с1 должно быть больше метильных групп, а кратковременное отсаживание крысят в начале жизни от матери должно понизить их количество и увеличить число рецепторов в гиппокампе.
В нашем эксперименте у отловленных из природы крыс регуляторный участок гена глюкокор-тиоидного рецептора был метилирован очень слабо или вообще неметилирован, даже в тех CpG-ди-нуклеотидах, которые, по данным группы Мини, должны быть метилированы всегда [9]. Состояние гена Мт3с1 в гиппокампе мы проанализировали также на двух других группах крыс — ручных и агрессивных. Их отловили из природы в 1970 г. и провели отбор на ручное и агрессивное поведение по отношению к человеку. Ручные крысы были менее подвержены стрессу и менее тревожны, чем агрессивные, и у них было больше рецепторов в гиппокампе. В различиях между собой они были во многом схожи с крысами Мини, что позволяло предположить один и тот же механизм. Однако у ручных и агрессивных крыс, так же как и у диких, в регуляторном участке гена Мт3с1 почти не было метильных групп.
Потомков этих диких крыс второго поколения в первые дни после рождения отсаживали от матери, что должно было изменить количество рецепторов в гиппокампе и снизить метилирование его гена. Когда крысята выросли, у них экспрессия гена Мт3с1 в гиппокампе действительно была повышена. Однако и у экспериментальных, и у контрольных животных, которых не отсаживали от матери, метилирование гена практически отсутствовало, как и у их диких предков. Значит, по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.