В случае самых сложных заболеваний доказано, что в их развитии важна взаимосвязь природы и питания. И в этой взаимосвязи влиянию эпигенетических факторов отведена важная роль. Уже установлена связь эпигенетических механизмов с многочисленными детскими болезнями, синдромом Ретта, синдромом Прадера – Вилли и синдромом Ангельмана. В некоторых случаях генная активность прекращается непосредственно из-за метилирования оснований ДНК самого гена. В других случаях с гистонами, которые связывают ДНК и прекращают активность гена, происходят химические изменения (метилирование и ацетилирование).
Но это только усложняет картину. Теперь, когда у нас есть возможность секвенировать геном в целом, мы обнаружили, что у каждого из нас насчитывается 300 мутаций, которые ведут к прекращению функционирования определенных генов, а также около 100 вариантов, связанных с риском развития определенных заболеваний. Более того, некоторые мутации, которые влияют на этот риск, не присутствовали в геноме наших родителей, но развились у сперматозоида или яйцеклетки. Их называют мутациями de novo или первичными мутациями. Первичные мутации могут возникать у сперматозоидов и яйцеклеток, в результате соединения которых получается эмбрион. Такие мутации развиваются в 1,2 случая на каждые 100 000 000 оснований ДНК, которые вы наследуете от родителей.
В случае самых распространенных генетически обусловленных заболеваний только 5 % генных мутаций, связанных с их развитием, действительно вызывают эти заболевания.
Это означает, что в вашем геноме присутствуют 72 мутации de novo, которых не было в геноме ваших родителей. (Количество мутаций de novo сильно зависит от возраста отца на момент зачатия ребенка. Каждые 16 лет после достижения тридцатилетнего возраста количество мутаций в сперматозоидах отца удваивается, что вызывает риск развития таких заболеваний, как аутизм.)
Кроме вариантов по одному основанию, у вас присутствует огромное количество дупликаций, делеций, инверсий и перестроек примерно миллиона оснований ДНК, известных как структурные варианты. Как и варианты по одному основанию (или по одному нуклеотиду), структурные искажения ДНК либо наследуются от родителей, либо проявляются в виде мутаций de novo. При болезни Альцгеймера наличие дупликации гена APP, первого гена болезни Альцгеймера, неминуемо ведет к раннему наступлению старческого слабоумия (в возрасте до 60 лет).
Структурные варианты и варианты по одному нуклеотиду могут обнаруживаться при секвенировании ДНК нового поколения. Но другой тип генетического анализа позволяет оценивать экспрессию генов (или генную активность) по всему геному. Эта практика называется транскриптомный анализ. Когда ген вырабатывает белок, он сначала образует РНК-транскрипт, который будет использоваться при направлении синтеза белка. Транскриптомный анализ можно использовать при тестировании эпигенетической регуляции генов, поскольку он предоставляет информацию о генной активности, а не о последовательности ДНК.
Дело в том, что сейчас стали доступны крайне эффективные средства, которые позволяют расшифровать непростой механизм развития большинства сложных генетически обусловленных заболеваний. Один из вопросов заключается в том, что сложное заболевание развивается постепенно, шаг за шагом, и эти шаги связаны между собой. В повседневной жизни, когда вы простудитесь, сперва замечаете слабо выраженный симптом вроде першения в горле, и, если вы не попытались остановить простуду на столь ранней стадии (например, приняв препараты цинка), опыт подсказывает вам, что за этим симптомом последует цепь других. Что-то подобное происходит и на генетическом уровне. Транскриптомный анализ используют в генетических исследованиях вместе с определением последовательности полного генома при «анализе процесса», который одновременно рассматривает множество генов, отвечающих за развитие заболевания. Эта информация помогает понять патологические механизмы возникновения и развития заболевания. Определенные биологические процессы, например, заживление ран или воспаление, влияют на риск возникновения заболевания. Этот анализ также помогает понять, какие новые изучаемые гены могут участвовать в развитии заболевания, на основании последствий биологических процессов. Например, в ходе исследования генов, наличием которых обусловлен риск болезни Альцгеймера, проведенном Руди и его коллегами, результаты анализа процессов указали на важность влияния иммунной системы и воспаления. О какой бы человеческой болезни ни шла речь, будь то рак, диабет, болезнь Альцгеймера или сердечно-сосудистые заболевания, убийцей, который выводит человека из строя, почти всегда оказывается воспаление. Если говорить об эпигенетических изменениях, которые, возможно, имеют наибольшее влияние на регулирование биологических процессов, возможно, это окажется воспаление.
Диабет второго типа
Около 400 миллионов людей в мире страдают диабетом второго типа, и ожидается, что в течение следующих двадцати лет это число увеличится до 500 миллионов. При диабете второго типа уровень глюкозы в плазме крови (сахар крови) повышается, часто в результате генетической предрасположенности и образа жизни, в частности, пищевых привычек. Главный фактор риска – ожирение. Можно часто наблюдать развитие диабета в семьях, и при том, что это может привести к генным мутациям само по себе, члены семьи также едят вместе, у них один и тот же рацион и, возможно, одни и те же пищевые привычки.
Риск становится точнее, но не обязательно проще. Уже известно, что с риском развития диабета второго типа у взрослых связаны десятки генов. (Неудивительно, что многие из этих генов связаны с ожирением и изменением уровня глюкозы в крови.) Однако большинство вариантов ДНК этих генов оказывает незначительное воздействие на риск развития заболевания на протяжении всей жизни. Куда большее влияние имеет образ жизни, что, как вы уже знаете, означает действие эпигенетики. Наиболее убедительные доказательства этому появились, когда стало понятно, что режим питания и рацион человека в раннем возрасте определяет риск развития диабета и сердечно-сосудистых заболеваний. Индейцы племени пима в Аризоне сильно подвержены ожирению и диабету второго типа. Если мать из народа пима была больна диабетом второго типа во время беременности, у ее детей будет крайне высокая предрасположенность как к диабету второго типа, так и к ожирению.
Научное обоснование связей эпигенетики со сложными заболеваниями развивается с огромной скоростью. Сейчас нам доступна технология генных чипов, с помощью которой можно среди миллионов участков генома найти, на каком именно из них метилирование прекращает активность любого из 23 000 наших генов. Эти участки можно просканировать на наличие определенных заболеваний, например диабета, и выяснить, какие именно гены задействованы в их развитии. Эти так называемые исследования целого эпигенома проводятся сейчас по всему миру и помогают обнаруживать все наиболее распространенные заболевания. В случае диабета второго типа основная часть важнейших эпигенетических изменений связана с геном FTO, влияющим на развитие ожирения и индекс массы тела, с помощью которого измеряют процент жира в общей массе тела.
Еще один фактор риска возникновения диабета – масса тела при рождении. Оказывается, наибольшему риску диабета подвержены дети, которые родились с недостаточной либо избыточной массой тела. Эпигенетическое влияние на геном детей с низкой массой тела при рождении может начаться еще в утробе матери. У детей с избыточной массой тела при рождении этот риск зависит от наличия диабета у матери во время беременности. В конечном счете, риск возникновения диабета второго типа почти всегда возникает в результате генетической предрасположенности, образа жизни, эпигенетических причин и тесного взаимодействия всех этих факторов. Эту же модель можно применить к большинству сложных заболеваний, от нарушений обмена веществ до зависимостей и психических расстройств.
