Эпигенетика1 — молодое направление современной науки. Если генетика изучает процессы, которые ведут к изменениям в генах, в ДНК, то эпигенетика исследует изменения активности генов, при которых первичная структура ДНК остается прежней. Эпигенетика похожа на «генерала», который в ответ на внешние стимулы, такие как питание, эмоциональные стрессы, физические нагрузки, лекарственные препараты отдает приказы «солдатам» — генам, усилить или, наоборот, ослабить их активность [1].
Развитие эпигенетики как отдельного направления молекулярной биологии началось в 40-х годах XX века. Английский генетик Конрад Уоддингтон сформулировал концепцию «эпигенетического ландшафта», которая объясняла процесс формирования организма [2]. Прошло несколько десятилетий, прежде чем эпигенетику стали воспринимать как новую научную дисциплину, так как считалось, что некоторые наблюдения в рамках эпигенетики «подрывают авторитет» генетики [3, 4].
На рубеже XX и XXI веков проведен ряд работ, в которых показано, что эпигенетические механизмы влияния на геном не только играют важнейшую роль в работе систем организма, но и могут наследоваться несколькими поколениями. В голландском исследовании выявлено, что у пожилых людей, чьи матери пережили голод, существенно снижалось метилирование гена инсулиноподобного фактора роста 2-го типа (ИФР-2), из-за чего количество ИФР-2 в крови повышалось. А этот фактор имеет обратную связь с продолжительностью жизни: чем выше в организме уровень ИФР, тем жизнь короче [5].
Период беременности и первые месяцы жизни являются самыми важными в жизни всех млекопитающих, в том числе и человека. Все имеющиеся сегодня данные говорят, что именно в этот период закладываются основы не только физического, но и психического здоровья человека. Немецкий нейробиолог Петер Шпорк говорил: «В преклонных годах на наше здоровье порой гораздо сильнее влияет рацион нашей матери в период беременности, чем пища в текущий момент жизни» [6].
Эпигенетика также помогла понять, почему одни люди отличаются психологической устойчивостью и оптимизмом, а другие склонны к паническим настроениям и депрессии. Проведены эксперименты с животными. Эта серия работ приобрела широкую известность и название licking and grooming (вылизывание и уход). Канадские биологи начали изучать влияние материнской заботы у крыс в первые месяцы жизни потомства. Разделив крысят на две группы, они отнимали одну часть выводка у матерей сразу после рождения. Не получавшие материнской заботы в виде вылизывания, такие крысята поголовно вырастали «неадекватными»: нервными, необщительными, агрессивными и трусливыми. Все детеныши, получавшие материнскую заботу в полном объеме, развивались так, как это и положено крысам: энергичными, хорошо обучаемыми и социально активными. Исследовав ДНК крыс, ученые выяснили, что у детенышей, которых не вылизывали матери, произошли негативные эпигенетические изменения в области мозга под названием гиппокамп. В гиппокампе оказалось уменьшенным количество рецепторов к стрессовым гормонам, что приводило к неадекватной реакции нервной системы на внешние раздражители [7]. Проведены многочисленные исследования детей, которые в раннем детстве лишались родительской заботы или подвергались какому-либо насилию. Все эти дети без исключения вырастали потом с той или иной искаженной функцией нервной системы. И эти искажения эпигенетически закреплены в клетках мозга [8—10].
Надо полагать, что влияние эпигенома распространяется и на процессы, связанные со старением [11]. С возрастом можно наблюдать общее понижение метилирования, в том числе участков генома, которые составляют почти половину всей последовательности ДНК, — мобильных генетических элементов (МГЭ). Они открыты нобелевским лауреатом Барбарой Мак-Клинток как последовательности, способные, в отличие от обычных генов, перемещаться по ДНК. Излишне активизируясь с возрастом из-за деметилирования, МГЭ дестабилизируют геном, вызывая нежелательные хромосомные перестройки [12].
По мере старения организма становятся отчетливыми изменения в метилировании генов, связанные с возрастными заболеваниями: атеросклерозом, гипертонией, диабетом, болезнью Альцгеймера и др. [13]. Кроме этого обнаружена прямая связь изменений эпигенома с продукцией активных форм кислорода, а также с функцией одного из белков p66Shc, названного акад. В.П. Скулачевым «посредником запрограммированной гибели организма» [14]. И потому знание эпигенетических основ возрастных изменений может принести нам существенную пользу в борьбе за продление жизни и здоровую старость.
Период менопаузы характеризуется постепенным снижением, а затем и «выключением» функции яичников, а также сопровождается различными специфическими симптомами (вазомоторными, психо-эмоциональными, вагинальными, сексуальными и другими) и признаками нарушения соматического здоровья: потерей минеральной плотности костной ткани, формированием неблагоприятного профиля сердечно-сосудистого риска вследствие развития абдоминального/висцерального ожирения, дислипидемии, эндотелиальной дисфункции, нарушения толерантности к глюкозе, а также нарушениями психологического статуса. В рамках старения женского организма сейчас активно изучаются и анализируются эпигенетические факторы, влияющие на этот процесс.
Эпигенетические паттерны, которые наиболее часто упоминаются в литературе, включают метилирование ДНК, модификации гистонов, ремоделирование хроматина (S. Choi и S. Friso, 2010) и управление огромным разнообразием молекулярных и клеточных процессов, необходимых для высшей нервной системы и эндокринных функций, а также эволюционных инноваций [15]. Наиболее распространенными и приемлемыми концепциями старения считаются свободнорадикальная теория и теломерная гипотеза (В.Н. Анисимов, 2003).
Ооциты содержат большое количество митохондрий, в которых во время длительной фазы покоя между образованием и созреванием ооцитов накапливаются мутации в митохондриальном геноме, в том числе происходит накопление активных форм кислорода (как побочного продукта их жизнедеятельности) в течение жизни. Клетка в результате таких «накоплений» больше склонна к повреждению ДНК, тогда как самый чувствительный геном именно митохондриальный. Клетки ооцитов женщин имеют меньше митохондрий и обладают более поврежденной ДНК [16, 17].
Теломеразная теория старения — это наиболее изучаемое сейчас направление в эпигенетике менопаузы. Теломеры — это участки на концах хромосом. Выполняют защитную функцию, так как не способны к соединению с другими хромосомами или их фрагментами (для всех позвоночных характерна одна последовательность оснований — ТТАGGG. При неоднократном делении клетки теломеры теряют свои участки, при этом с каждой новой репликацией защитные свойства становятся все меньше. Термин «критическая длина» — остаточная длина теломер — говорит о том, что при такой длине полностью утрачивается способность к защите хромосом. Когда данная длина достигнута, происходит старение генома клетки, что приводит к запланированной смерти самой клетки [18].
При рождении длина теломер у мальчиков и девочек одинакова. К периоду совершеннолетия теломеры у женщин длиннее, чем у мужчин того же возраста. Такое явление связывают с возможным действием эстрогенов, направленным на защиту ДНК клеток от окислительного стресса. У женщины показана большая длина теломера лейкоцитов, чем у мужчины (исходный показатель: 7,01±0,03 по сравнению с 6,87±0,04, наблюдение: 6,79±0,03 по сравнению с 6,65±0,03, оба p=0,005), также выявлено замедление укорочения длины теломер лейкоцитов именно у женщин [19, 20].
Пременопаузальный период более зависим от укорочения длины теломер, чем постменопаузальный период. У женщин в период пременопаузы быстрота сокращения длины теломер, вероятно, связана с опосредованным влиянием эстрогенов и увеличением оборота эритроцитов. Женщины с самой большой длиной теломера лейкоцитов «вышли» в менопаузу на 3 года позже, чем женщины с самой короткой длиной теломера [20, 21].
При определении множественной линейной регрессии установлена отрицательная корреляционная взаимосвязь между длиной теломер и уровнем фолликулостимулирующего гормона (r= −0,15, p=0,05), положительная с уровнем эстрадиола (r=0,18, p<0,05) [22, 23].
Результаты проводимых исследований показали возможную связь между удлинением теломер и преждевременной недостаточностью яичников. Причину наблюдаемого явления можно объяснить многочисленными вероятными механизмами (снижение скорости деления клеток яичников, внезапное повышение уровня эстрогена до менопаузы и после истощения яйцеклеток и/или аутоиммунное состояние), которые могут изменить состав клеток крови и их последующее превращение в клетки с более длинными теломерами [24].
Отметим, что эти концепции все же имеют ограниченное применение — лишь для некоторых случаев патологического старения [25]. Автор теломерной гипотезы старения А.М. Оловников признал, что не всегда его теория пригодна для объяснения старения, и взамен выдвинул новую, редусомную, согласно которой покрытая белками линейная молекула ДНК гипотетической частицы редусомы представляет собой копию сегмента хромосомной ДНК. Редусома не покидает тело своей хромосомы даже при клеточных делениях, удерживаясь в своем хромосомном гнезде. Подобно теломерной ДНК, линейная ДНК редусомы с течением времени укорачивается. Поэтому крошечные редусомы прогрессивно уменьшаются в размерах; отсюда и их название. Вместе с убылью ДНК в редусоме уменьшается и количество содержащихся в ней разных генов. Укорочение молекул редусомной ДНК (и вызванное этим изменение набора генов в редусомах) меняет с возрастом уровень экспрессии различных хромосомных генов и, благодаря этому, служит ключевым средством измерения биологического времени в индивидуальном развитии [25].
Авторами исследований в рамках эпигенетики введен такой термин, как «эпигенетический возраст», который:
— «предсказывает» смерть человека;
— является маркером потенциального риска развития сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ);
— определяет возраст наступления менопаузы (возраст менопаузы генетически коррелирует с эпигенетическим возрастом — каждый год с начала наступления менопаузы увеличивает на 0,4 года собственный эпигенетический возраст человека (Р=3,5×10×3) [26].
В Великобритании проведено исследование с включением женщин (n=1834) в возрасте 50—79 лет, в котором показано, что отсутствие высшего профессионального образования может привести к более высоким показателям эпигенетического старения, что частично объясняет более короткую продолжительность жизни [27].
M. Levine и соавт. выделяли две модели причинно-следственной связи между эпигенетическим возрастом и менопаузой. Модель «А» — как возраст менопаузы, так и эпигенетический возраст — отражает биологическое старение, модель «В» — менопауза приводит к увеличению эпигенетического возраста через ускорение процесса биологического старения [28]. Увеличение скорости повышения эпигенетического возраста в значительной степени связано:
— с более ранней менопаузой (p=0,00091);
— с двусторонней овариэктомией (p=0,0018);
— с более длительным временем после менопаузы (p=0,017).
Более низкий эпигенетический возраст (оценивали в буккальном эпителии) обнаружен у женщин, которые получали менопаузальную гормональную терапию (МГТ) (p=0,00078) [28].
Изучение вопросов эпигенетики менопаузы началось с анализа модели «сосудистого старения» (vascular aging) во время менопаузы у здоровой женщины. «Старение» сосудов, характеризующееся эндотелиальной дисфункцией, является основным фактором риска развития ССЗ. У женщин процесс «старения» сосудов ускоряется с наступлением менопаузы, особенно в конце перименопаузы, и связан со снижением функции яичников и уровня эстрогена. Механизмы, лежащие в основе дисфункции эндотелия и изменения жесткости стенки крупных артерий при менопаузе, до конца не изучены. Окислительный стресс и увеличение уровня фактора некроза опухоли, а также провоспалительных цитокинов α способствуют дисфункции эндотелия у женщин с дефицитом эстрогена в постменопаузе [29]. S. Maffei и соавт. выделяли факторы риска, которые могут влиять как на скорость наступления «переходного» периода, так и на эпигенетический возраст:
— синдром поликистозных яичников;
— преждевременная недостаточность яичников;
— хирургическая и преждевременная менопауза;
— состояния, связанные с беременностью: гестационный сахарный диабет, преэклампсия, задержка внутриутробного развития, самопроизвольное патологическое прерывание беременности и преждевременные роды [30].
Эти патологические состояния (которые развиваются в течение репродуктивного периода жизни или перименопаузы) являются ранними маркерами будущих ССЗ. Авторы отметили, что эти факторы риска могут влиять на начало, клинические особенности и прогноз развития беременности, а также на риск развития ССЗ у женщины в дальнейшем [30].
В свою очередь российские авторы выделяют специфические для женщин факторы риска, потенциально связанные с развитием ССЗ:
— отклонение от среднего возраста начала первой менструации;
— число беременностей;
— число родов;
— гестационный сахарный диабет;
— гестационная артериальная гипертензия;
— набранная масса тела при беременности 12 кг и более;
— масса тела ребенка при рождении более 4 кг;
— невынашивание беременности [31].
А вот укорочение длины теломер взаимосвязано только с тремя специфическими факторами риска развития CCЗ, это:
— раннее начало первой менструации (r=0,20, p<0,05);
— набранная масса тела при беременности 12 кг и более (r= −0,21, p<0,01);
— наступление менопаузы (r= −0,63, p<0,05).
Активность теломеразы взаимосвязана только с массой тела 12 кг и более, набранной во время беременности (r= −0,28, p<0,05) [22, 23].
Прибавка массы тела — это одна из частых жалоб женщины, вступающей в период менопаузы, и именно это (после вазомоторной симптоматики) заставляет большинство женщин обращаться на прием к акушеру-гинекологу в этот период. Уже с периода пременопаузы женщина замечает изменение композиционного состава тела [32]. Считается, что чем образованнее женщина (наличие высшего профессионального образования), тем ниже риск прибавки массы тела/ожирения в периоды климактерия [33]. В течение менопаузального перехода и ранней постменопаузы у женщины увеличивается масса тела на 20—25% [34]. Физически активные женщины имели на 26—62% меньшую опасность возникновения метаболического синдрома (МС), чем физически неактивные женщины. Изменяемое поведение в рамках образа жизни связано с избеганием МС и уменьшением возникновения риска наиболее опасных осложнений МС у женщин среднего возраста [35]. А ведь образование человека, образ жизни, прием лекарственных препаратов/витаминов/БАДов, социальная среда и прочее — это и есть эпигенетические факторы «эпигенетического ландшафта».
Увеличение возраста способствует клеточному старению и нарушает дифференцировку мезенхимальных стволовых клеток в подкожной жировой клетчатке. Эти изменения снижают функцию адипоцитов, уменьшая созревание преадипоцитов, ограничивают гиперплазию адипоцитов, тем самым уменьшают массу подкожного жира. Снижение половых гормонов у мужчин (тестостерон) и женщин (эстроген) способствует увеличению висцеральной жировой клетчатки [36]. Не следует забывать, что у женщин отмечается более высокое соотношение андрогена (то есть тестостерона) к эстрадиолу после наступления менопаузы, что также способствует усилению именно центрального ожирения [37]. Поэтому роли и месту модификации образа жизни (одного из важнейших и мощных факторов, влияющих на эпигеном) уделяется огромное внимание не только в репродуктивном возрасте, у женщин в прегравидарном периоде, но и в пременопаузе вплоть до поздней постменопаузы.
Возраст — один из самых сильных предикторов рака, хронических заболеваний и смертности, но «биологические часы» у людей с онкологическими заболеваниями различны. Эпигенетические модификации ДНК пытаются использовать для оценки «биологического возраста». «Биологический возраст» может быть увеличен переходом в менопаузу. Так, J. Kre-sovich и соавт. сделали вывод, что увеличение возраста женщины в пременопаузе независимо предсказывает рак молочной железы у нее. Показатели биологического возраста, основанные на метилировании ДНК, могут быть важными предикторами риска развития рака молочной железы [38].
«Старение мозга» или снижение когнитивной функции головного мозга — проблема, которая заботит не только геронтологов, но и акушеров-гинекологов, так как эта активность и сохранение когнитивной и познавательной функции мозга женщины в климактерии — неотъемлемая часть качества ее жизни. Что часто подразумевают под снижением когнитивной функции в менопаузе? Это ухудшение беглости речи (ОШ 1,56, 95% ДИ 1,12—1,87, p=0,004) и зрительной памяти (ОШ 1,39, 95% ДИ 1,09—1,77, p=0,007) [39]. И эти показатели всегда оценивают при решении вопроса о менопаузальной гормональной терапии.
Факторы риска снижения когнитивной функции в менопаузе:
— менопауза в возрасте 40 лет или ранее;
— двусторонняя овариэктомия;
— преждевременная недостаточность яичников [39].
Гормональная терапия во время преждевременной менопаузы оказала положительное влияние на зрительную память в более позднем возрасте, но увеличила риск ухудшения беглости речи. Тип менопаузы не связан с когнитивной функцией. Преждевременная менопауза связана c риском снижения (на 30%) психомоторной скорости работы головного мозга и глобальной когнитивной функции в течение 7 лет [39].
И получается, что менопауза приводит к снижению психомоторной скорости и глобальной когнитивной функции, что может стать для женщины мощнейшим инвалидизирующим фактором и обусловить ее «выход» из социальной жизни.
О том, что менопаузу можно рассматривать «как часть эпигенетического ландшафта» говорит и тот факт, что у женщин риск деменции в течение жизни выше на 50%, чем у мужчин, помимо этого выделены следующие факторы риска:
— позднее начало первой менструации;
— преждевременная менопауза;
— более короткий репродуктивный период;
— гистерэктомия [40].
Интересные исследования выполняли M. Lahdenpera и соавт. в начале XXI века, рассматривая детей и внуков женщины как одну из важных частей эпигенетики. Авторы предположили, что потомки (дети и внуки) — это эпигенетические факторы продолжительности жизни женщины. Скорость наступления смерти матери увеличивается при прекращении «размножения» ее детей [41]. Эти выводы крайне важны, так как в последние годы возраст первой беременности и родов у женщин смещается на период 40—45+. Ряд исследований последних лет показывает, что фертильность в позднем возрасте положительно коррелирует с долголетием [42—46]. У женщин, имеющих 2—3 детей, зафиксирована значительно более низкая смертность (КР 0,82 при 95% ДИ) по сравнению с женщинами без детей. У женщин с менопаузой, которая наступила до 40 лет, коэффициент вероятности смерти 1,95 (95% ДИ) по сравнению с женщинами с естественной менопаузой в возрасте 50—54 года. Рождение женщиной ребенка в позднем репродуктивном периоде связано с более длительным сроком жизни. Такая тенденция подтверждена для различных этнических групп и географического местоположения (например, Нидерланды, США, Канада и Финляндия) [42—46]. Результаты экспериментов на органном уровне показали, что пересадка яичников старых крыс молодым крысам с предварительно удаленными собственными яичниками привела к восстановлению цикла старых, не функционировавших яичников у молодых реципиентов. Пересадка в противоположном направлении (от молодых к старым крысам) приводила к прекращению овуляции молодых яичников в организме старых самок. Значит, яичники старых животных перестают функционировать не из-за «истощения пула яйцеклеток» и не из-за «накопления повреждений», а в результате изменений внутренней среды организма и сигналов, возможно, связанных с нарушениями на более высоких уровнях регуляции, включая гипоталамус, участвующий в контроле многих функций организма. Видимо, это справедливо в отношении старения не только репродуктивных, но и других систем, и, возможно, всего организма в целом [47].
МГТ является «золотым стандартом» для лечения менопаузальных симптомов, однако некоторые женщины имеют противопоказания для такой терапии (рак молочной железы в анамнезе, семейный риск тромбоэмболии и др.) [48]. Длительный прием МГТ увеличивает как длину теломер, так и продолжительность их жизни, что теоретически ведет к увеличению жизни самой клетки, а в масштабном аспекте — организма в целом [49]. Длина теломер больше у женщин в постменопаузе, у которых был долгосрочный прием МГТ [49, 50]. Ведется активная дискуссия, может ли экзогенный эстроген обладать функциями эндогенного эстрогена. Некоторые исследователи считают, что есть разница между эндогенным (собственным) эстрогеном и эстрогеном экзогенным, полученным извне. Однако однозначно сказать сложно, так как женщина, принимающая МГТ, тщательнее следит за своим здоровьем, избегает вредных воздействий извне, что, несомненно, ведет к увеличению продолжительности жизни [21, 50]. Конечно же, менопауза, как и старение, запрограммированы. С точки зрения популяционного контроля, это абсолютно логично. Такой метод популяционного контроля не является особенностью только многоклеточных, он существует и у одноклеточных организмов. И теломеры, накладывающие лимит Хейфлика на максимальное число делений клетки, являются механизмом, ограничивающим потомство каждой отдельной клетки. Известно, что показатель ожидаемой продолжительности жизни людей, построенный для стран, являющихся текущими рекордсменами по этому параметру, растет линейно уже более 160 лет (каждые 10 лет на 2,5 года у женщин и на несколько меньшую величину у мужчин) (J. Oeppen, J. Vaupel, 2002). С успехами контроля и регулирования процесса старения это не связано, поскольку до сих пор непонятны причины, по которым регуляция и координация жизненных процессов в организме становятся с возрастом все менее эффективными, а сам стареющий организм — все более уязвимым по отношению к факторам окружающей среды и к внутренним изменениям [25].
Заключение
Согласно национальным целям и стратегическим задачам развития на период до 2024 года, одним из основных направлений стала демографическая политика – комплекс мероприятий, целью которых является повышение рождаемости и воспроизводства населения, снижение смертности. Сейчас основными причинами смертности являются сердечно-сосудистые и онкологические заболевания. В XXI веке продолжаются исследования в рамках эпигенетики. И вопрос, который затронул Лабрюйер2: «Мы надеемся достигнуть старости, но боимся состариться», остается актуальным по настоящий момент.
Участие авторов:
Концепция и дизайн исследования — Андреева Е.Н.
Сбор и обработка материала — Шереметьева Е.В., Григорян О.Р.
Написание текста — Шереметьева Е.В., Андреева Е.Н., Григорян О.Р.
Редактирование — Андреева Е.Н., Григорян О.Р.
Источник финансирования. Работа выполнена в рамках анализа литературы по указанной теме сотрудниками ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр эндокринологии» Минздрава России.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
The authors declare no conflicts of interest.
1Эпигенетика (др.-греч. ἐπι — приставка, обозначающая пребывание на чем-либо или помещение на что-либо) — в биологии, в частности в генетике, — представляет собой изучение закономерностей эпигенетического наследования — изменения экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванных механизмами, не затрагивающими последовательности ДНК. Эпигенетические изменения сохраняются в ряде митотических делений соматических клеток, а также могут передаваться следующим поколениям. Примерами эпигенетических изменений являются метилирование ДНК и деацетилирование гистонов. Эпигеномом называется множество молекулярных меток, регулирующих активность генов, но не изменяющих первичную структуру ДНК [1].
2Жан де Лабрюйе́р (фр. Jean de La Bruyère; 16 августа 1645, Париж, Франция — 10 мая 1696, Версаль, Франция) — французский моралист.