Гены и их окружение

14.05.2017
Если бы еще 5-10 лет назад какая-нибудь косметическая компания заявила, что ее продукты могут влиять на гены, эти заявления вряд ли бы приняли всерьез. А если бы приняли, то, скорее всего, испугались, ведь еще со школьной скамьи, изучая опыты Менделя с горошком, мы знали, что изменения генетического кода — это мутации, а они редко бывают полезными.
Переворот в сознании ученых произошел с открытием так называемых эпигенетических изменений — т.е. изменений, которые не затрагивают нуклеотидную последовательность ДНК, а происходят на уровне «обслуживающих гены» структур.
О существовании таких изменений было известно еще с 1960-х гг., но долгое время полагали, что они осуществляются только в период внутриутробного развития. Лишь недавно стало ясно, что эти изменения сопровождают нас всю жизнь, являясь причиной развития воспалительных процессов, повышая риск возникновения онкологических заболеваний и нейродегенерации. А кроме того, они лежат в основе старения — естественного процесса угасания любого живого организма.
Самым интересным здесь является то, что эпигенетические изменения могут быть не только во вред, но и во благо. Как оказалось, многие хорошо известные биологически активные компоненты пищевых продуктов и косметических средств могут выступать в роли эпигенетических модуляторов, уменьшая, а то и вовсе устраняя нежелательные изменения в активности генов. Это открывает широкие, хотя пока еще не вполне исследованные возможности воздействия на процессы, ведущие к старению.
Итак, в чем же разница между эпигенетическими изменениями и мутациями?
Мутации — это изменения в структуре ДНК, такие как потеря участка ДНК, появление двойных генов, встраивание дополнительного нуклеотида туда, где его быть не должно, и т.д. Мутации могут происходить спонтанно, а могут быть вызваны вредными воздействиями, такими как ионизирующая радиация или УФ-излучение. Большинство повреждений ДНК довольно быстро устраняются системами восстановления, присутствующими в ядре клетки. Однако при нарушении системы восстановления ДНК мутации могут привести к постепенному разлаживанию метаболических процессов, накоплению дефектных белков и нарушению функций клеток. Так как исправить ошибки, возникшие в результате мутаций, можно только методами генной инженерии, а эта наука сегодня находится на этапе становления, создавалось впечатление, что процесс старения необратим и неостановим.
Сдвиг в этой картине произошел тогда, когда исследователи перенесли свое внимание с самой ДНК на структуры, ее окружающие. В частности, на особые белки — гистоны, на которые, словно на катушки, намотаны нити ДНК. Для того чтобы ген проявил активность, т.е. чтобы с него могла считываться информация, необходимая для синтеза белка, участок ДНК, содержащий ген, должен размотаться с «катушки». Процесс этот происходит с участием ферментов. Изменения гистоновых белков, а также изменения ферментов, участвующих в сматывании/разматывании цепи ДНК, равно как и любые другие изменения в химическом окружении ДНК, могут привести к тому, что ген «умолкнет» и перестанет быть активным. А бывает и наоборот — ген, которому положено было активироваться лишь на короткое время, из-за нарушений в окружении ДНК будет сохранять свою активность слишком длительное время. Или другой вариант — ген, которому вообще не положено «подавать голос», окажется разблокированным. В итоге ДНК физически осталась прежней, но спектр производимых ею белков изменился из-за изменений во внешнем — эпигенетическом — окружении. Последствия могут быть драматическими не только для клетки, но и для организма.
На сегодняшний день ученым уже удалось выявить многие процессы, которые могут быть затронуты эпигенетическими изменениями. Например, в результате активации генов, кодирующих воспалительные цитокины, и дезактивации генов, отвечающих за производство противовоспалительных веществ, в тканях могут усиливаться воспалительные процессы. Хотя многие привыкли воспринимать воспаление в связи с инфицированием (например, воспаление вокруг занозы или воспаление комедона при акне), на самом деле оно влияет на многие другие процессы, в том числе ведущие к старению кожных тканей. Сейчас известно, что хроническое, незаметное глазу аспетическое воспаление в коже (микровоспаление) способствует появлению морщин и пигментных пятен.
Еще один механизм, участвующий в старении, — это нарушение работы протеосомной системы. Протеосомы — сложные белковые комплексы, в которых происходит разрушение дефектных белков. Это могут быть белки, поврежденные УФ-излучением, а могут быть и белки, которые оказались дефектными в процессе производства. Таких белков в клетке довольно много, так как процесс синтеза белка сопровождается укладкой в трехмерную структуру, определяющую его функциональную активность. Если белок был сложен неправильно, его необходимо разрушить, так как он не только бесполезен, но может нарушать работу других белков. Когда в результате эпигенетических нарушений разлаживается синтез белков, формирующих протеосому, в клетке начинают накапливаться дефектные белки.
Одним из генов, который может «умолкать» с возрастом, является ген, кодирующий производство коллагена. В результате часть коллагенпродуцирующих фибробластов перестают вносить свою лепту в строительство коллагенового каркаса дермы, что выражается в ухудшении механических свойств кожи и появлении морщин. С возрастом снижается активность гена, кодирующего декорин — белок, отвечающий за качество волокон коллагена. В итоге вместо тонких и правильно закрученных коллагеновых волокон получаются неоднородные, утолщенные волокна, не обладающие нужной упругостью.
Ho самым опасным следствием нарушения регуляции генов является подавление генов-супрессоров опухолей. Именно с этим связано повышение риска развития возрастных злокачественных новообразований.