Epigenetske spremembe kot posledica načina življenja - psihološki dejavniki

Življenje današnjega človeka je polno stresa. Z njim so povezane mnoge psihološke bolezni, kot sta depresija in nagnjenost k samomorilnosti. Nekateri posežejo po cigaretih, da bi se odpočili od stresa, in posledično postanejo zasvojeni. Vsi ti dejavniki vplivajo na naše telo in potomce.

VPLIV NEGOVANJA MLADIČEV NA RAZVOJ SISTEMA STRESNEGA ODZIVA

Pomemben vpliv na epigenetske spremembe ima posebej mati v zgodnjem otroštvu. Kako pozorna je in koliko časa nameni negovanju, vpliva na gene potomcev. Raziskave so potekale predvsem na podganah, ki so imele skrbne in neskrbne matere. Ugotovili so, da so z lizanjem mladičev, le te pripravile na poznejše življenje. Podgane, ki so bile negovane, so proizvedle manj stresnega hormona in so bile bolj sproščene, medtem ko so tiste podgane, ki so jih matere bolj zanemarjale, v stresnih situacijah proizvedle več hormonov in so se slabše prilagodile na stres.[1] V stresnem odgovoru sodelujejo živčni sistem in stresni hormoni. Povezava med hipotalamusom, hipofizo in nadledvičnimi žlezami je osrednja pot hormonov, ki sodelujejo pri boju s stresom. Ko smo v stresni situaciji, se začne v hipotalamusu izločati kortikotropin sproščujoči hormon CRH, ki potuje v hipofizo, kjer se pod njegovim vplivom začne izločati adrenokortikotropični hormon ACTH, ki se sprosti v kri. Ta stimulira nadledvično žlezo k izločanju kortizola in adrenalina. Oba hormona nam pomagata pri premagovanju stresne situacije s pospešenim srčnim utripom, povečanim krvnim pritiskom, povečano glukoneogenezo in tako naprej. Kortizol pa se nato veže na receptorje, ki se nahajajo v hipokampusu, ki da ukaz, da se stresni odgovor zaključi. Zanimivo je, kako se to dejansko zgodi. Glukokortikoidni receptor (GR) je v neaktivni obliki v citosolu povezan s proteini toplotnega šoka (stresnimi proteini). Ko se nanj veže kortizol, se ti proteini sprostijo. Aktiviran receptor ima dve funkciji: homodimerizacijo in vstop v jedro, kjer regulira transkripcijo, ter represijo transkripcijskih faktorjev NF-κB in AP-1.[2] Obstaja tudi negativna povratna zveza s hipokampusom, ki sprejme signal, da je bil GR aktiviran, in ustavi stresni odgovor.[1] Torej več ko je GR, hitreje si opomoremo od stresa. Količina GR je odvisna od metilacije promotorja za glukokortikoidni receptor. Gen, ki zapisuje glukokortikoidni receptor se imenuje Nr3c1 in se nahaja na petem kromosomu. Pri podganah so ugotovili povezavo med negovanjem mladičev in epigenetsko spremembo izražanja gena za glukokortikodni receptor.

POVEZAVA MED ZLORABO V OTROŠTVU IN SAMOMOROM

Stresne razmere v otroštvu lahko vodijo do nekaterih epigenetskih modifikacij. Pri ljudeh so opazili povezavo med zlorabo v otroštvu in spremenjenim HPA (hipotalamus-hipofiza-nadledvična žleza) stresnim odzivom in posledično nagnjenostjo k samomoru. Našli so epigenetske razlike na Nr3c1 promotorju med samomorilci, ki so bili v otroštvu zlorabljeni in takimi, ki niso bili. Zlorabljeni samomorilci so imeli manj mRNA za glukokortikoidni receptor in povečano metilacijo citozina na Nr3c1 promotorju. Tako so naredili povezavo med podganami in ljudmi, ki so jih starši zanemarjali in epigenetsko regulacijo izražanja glukokortikoidnega receptorja v hipokampusu. NGFI-A je transkripcijski faktor, ki omogoča izražanje gena za glukokortikoidni receptor. Ugotovili so, da je metilacija pri samomorilcih, ki so bili zlorabljeni povečana in značilna na specifičnih mestih promotorja. To je povzročilo, da se transkripcijski faktor ni mogel vezati na DNA in posledično se je znižalo prepisovanje mRNA za glukokortikoidni receptor.[3]

Podoben molekularni mehanizem pa prav tako poveže stres z nagnjenostjo za depresijo.

VPLIV STRESA NA RAZVOJ DEPRESIJE

V današnjem času ko nam življenje narekuje hiter tempo, nam pogosto primanjkuje časa za sprostitev. Znanstveniki zato veliko časa posvetijo raziskovanju stresu in boleznim, povezanimi s prevelikim stresom, ki prizadene čedalje več ljudi. Odkrili so, da so epigenetske spremembe zaradi povečane izpostavljenosti stresu, povezane s predispozicijo za depresijo. Raziskavo so naredili na miših, ki so se razlikovale v genomu in so kazale drugačno obnašanje na kronični stres. Opazili so, da so tiste miši, ki so bile občutljive na stres, kazale tudi znake depresije. Nadalje so odkrili, da so imele te miši znižan nivo izražanja gena za nevrotrofični faktor glia celic (glial cell-derived neurotrophsic factor, Gdnf), ki je pomemben za regulacijo plastičnosti možganov in je povezan z depresijo. Do tega je prišlo zaradi metilacije DNA za Gdnf gen in modifikacije histonov. V raziskavi so uporabili dve vrsti miši: BALB, ki so na stres občutljive in B6 na stres neobčutljive miši. Opazovali so vedenje miši, ki so bile pod kroničnim blagim stresom (chronic ultra-mild stress, CUMS), ki je posledica okolja in psiholoških dejavnikov in ne zaradi prikrajšanja vode in hrane. Ko so naredili resekvenacijo promotorja Gdnf obeh sevov, so ugotovili, da med njima ni razlik, zato so predvidevali, da morajo na izražanje tega gena vplivati epigenetske spremembe. Najprej so se posvetili histonom na področjih tega gena. Odkrili so, da je acetilacija precej zmanjšana pri miših, ki so slabo prilagojene na stres. Razlog za to so histonske deacetilaze, ki odstranijo acetilne skupine s histonov. Drugače se obnaša predvsem HDAC2 (histonska deacetilaza 2), saj je mRNA za ta encim veliko več pri miših BALB. Nadalje so odkrili, da stres vpliva na vezavo HDAC2 na Gdnf promotor. Inhibicija deacetilaze pa vodi do odpornosti na stres. Metilacija DNA na mestih, ki jih imenujemo CpG mesta, se ob stresu poveča pri vseh miškah. Metilacija se zgodi na citozinih, kar je stabilen epigenetski proces, ki regulira ekspresijo genov, ker vpliva na vezavo transkripcijskih faktorjev. Ta CpG mesta so blizu mesta začetka transkripcije. Prav ta mesta so ohranjena pri miših, podganah in človeku. Analize so pokazale, da so zaradi stresa pogosto metilirana. Pomembno vlogo pa imajo proteini, ki se vežejo na ta metilirana mesta. Eden izmed njih je MeCP2. Na njega se veže deacetilaza histonov 2, kar povzroči deacetilacijo histona in posledično zavre prepisovanje gena. V miših, ki so bolj odporne na stres, se MeCP2 povezuje z drugim proteinom, imenovanim CREB, ki dejansko promovira transkripcijo. Te informacije bodo zelo pomembne za način zdravljenja in diagnosticiranja nagnjenja k depresiji zaradi kroničnega stresa.[4]

VPLIV DEPRESIJE MED NOSEČNOSTJO NA RAZVOJ POTOMCA

Depresija je duševna motnja o kateri govorimo, ko posameznik poleg običajne žalosti kaže znake pobitosti, pesimizma, notranjega nemira, obupa ter (ali) samomorilnosti. Depresija se med drugim izraža tudi v zmanjšani sekreciji nevrotransmiterja serotonina, kar povzroči manjšo eksitacijo nevronov. Depresivne osebe so običajno tudi hitreje razdražljive, saj njihovo telo proizvaja večje količine kortizola, kortikotropin-sproščujočega hormona in noradrenalina. Nosečnice v depresiji so bolj nagnjene k splavu, prezgodnjem rojstvu, imajo manjšo placento, novorojenčki takšnih mater pa imajo manjšo težo, povišano koncentracijo kortizola ter zmanjšano koncentracijo serotonina.[] V novejših raziskavah je bilo ugotovljeno, da depresija med nosečnostjo, preko epigenetskih mehanizmov, poveča senzibilnost sistema stresnega odziva (HPA osi) v fetusu.

V nadaljevanju sta omenjeni dve bolje raziskani poti, ki razlagata ozadje epigenetskih sprememb v fetusu, ki lahko pozneje v življenju potomca vplivajo na spremembo vedenja, čustvenega razvoja ter povečajo možnost razvoja depresije in podobnih mentalnih bolezni.

V prvem primeru depresija posredno povzroči zmanjšanje koncentracije serotonina v možganih fetusa. V možganih mater, ki so bile v 2.trimesečju nosečnosti depresivne, je prišlo do zmanjšanja metiliranosti promotorja SLC6A4 [slika], kar je vodilo do povečane sinteze transmembranskega transporterja serotonina, odgovornega za reabsorpcijo serotonina iz sinaptične špranje. Zmanjšana metilacija promotorja SLC6A4 je prisotna tudi v fetusu, vendar metilacija ni neposredna posledica padca koncentracije materinega serotonina, temveč je posledica širših fizioloških posledic depresije. Plod je v 2. trimesečju v fazi intenzivne rasti in diferenciacije nevronov, kjer serotonin deluje kot trofičen fakor(nevronski rastni faktor) in regulira nevrogenezo, dendritogenezo in apoptozo nevronov. V primerjavi z materami, lahko zato zmanjšana koncentracija serotonina v fetusu povzroči močnejše spremembe- drugačno »arhitekturo« možganov, kar se odraža v spremenjenem mentalnem in motoričnem razvoju dojenčka. Hkrati depresija matere povzroči zmanjšanje koncentracije glukokortikoidnega receptorja (GR) v plodu, kar naposled vodi do povečane odzivnosti na stres. Iz poskusov na živalih je znano, da izpostavljenost stresu poveča metilacijo na 5’ CpG mestih znotraj nekodirajočega eksona 1(7) v hipokampusu mladiča. Omenjena metilacija veže HDAC (histonsko deacetilazo), kar prepreči acetilacijo histonov. DNA postane težje dostopna za vezavo transkripcijskih faktorjev kot je NGFI-A, kateremu se posledično zmanjša afiniteta vezave na promotor GR. V končni fazi se torej zmanjša transkripcija GR mRNA, kar vodi do zmanjšanja koncentracije GR. Podobne rezultate so opazili tudi pri ljudeh, čeprav so, zaradi manjše invazivnosti, raziskovanja omejena na analizo DNA lahko dostopnih telesnih tekočin. Znotraj človeškega eksona 1F (homolog podganjega eksona 1(7)) na genu Nr3c1 se nahaja 13 CpG mest. Med CpG3 in CpG4 je vezavno mesto za transkripcijski faktor NGFI-A. V potomcih nosečnic, ki so bile v 3. trimesečju nosečnosti v depresiji, je bila ugotovljena povečana metilacija citozinov na CpG2 in CpG3 dinukleotidnih mestih. Povišano metilacijo CpG2 so zaznali tudi v potomcih mater, depresivnih v 2. trimesečju nosečnosti. Z analizo DNA potomcev starih 3 mesece so znanstveniki ugotovili, da je le povečana metilacija na CpG3 povezana z večjo odzivnostjo na stres (oslabljeno negativno regulacijo stresnega odziva HPA osi). Primer zdravila proti večanju senzibilnosti na glukokortikoide je trikostatin A. TSA inhibira histonske deacetilaze (HDAC), torej povzroči večjo izpostavljenost DNA demetilazam, ki z odcepom metila olajšajo vezavo transkripcijskih faktorjev in posledično omogočijo večjo sintezo GR.

Da bi preprečili prenos negativnih vplivov depresivnega stanja nosečnic na potomce, so nosečnice v več raziskavah zdravili z antidepresivi, ki se vežejo na transmembranske receptorje za serotonin in tako preprečujejo reabsorpcijo serotonina (serotonin reuptake inhibitor- SRI) . Posledično se v sinaptični špranji poveča koncentracija serotonina (5-HT). Večja koncentracija serotonina je skupaj s povišano koncentracijo cAMP v celični kulturi hipokampusa negovanih podganjih mladičev povečala ekspresijo histonske deacetilaze. HDAC se veže na ekson 1(7) in olajša vezavo NGFI-A na promotor in posledično olajša ekspresijo GR mRNA. Pričakovano bi bilo, da uporaba antidepresivov med nosečnostjo, zaradi zvišanja koncentracije serotonina v človeškem fetusu, povzroči podobne učinke, vendar raziskave tega ne potrjujejo. Večina raziskav ne ugotavlja razlike med potomci, nezdravljenih depresivnih nosečnic ter med potomci, z antidepresivi zdravljenih nosečnic. Vzrok za to bi lahko bila protektivna funkcija placente, ki, ob povečani koncentraciji

VPLIV KAJENJA NA RAZVOJ ČLOVEŠKEGA FETUSA

Poleg vpliva negovanja matere in prenatalnega stresa, povezanega s samomorilnostjo in depresijo pa se pri ljudeh kaže še ena vrsta stresa, ki je posledica načina življenja matere med nosečnostjo in ima tudi epigenetske posledice. Ta vrsta stresa predstavlja uživanje nedovoljenih škodljivih substanc, med katerimi je najbolj raziskovan cigaretni dim. Med nosečnostjo ali kmalu po rojstvu so bile opažene posledice, ki so vključevale manjšo porodno težo, sindrom nenadne smrti dojenčka ali placenta previa (nenavadna lokacija placente nižje v maternici). V poznem otroštvu in zgodnji adolescenci so subjekti, ki so bili izpostavljeni cigaretnemu dimu matere, imeli bolj izražene hiperaktivnostne motnje pomanjkanja pozornosti in probleme s kopičenjem notranje trebušne maščobe oz. splošno debelostjo ter zdravstvenimi problemi, kot so astma, srčno-žilna obolenja, zmanjšana funkcionalnost pljuč,… Izpostavljenost cigaretnemu dimu matere v nosečnosti je povezano s spremembami v možganih ploda in posledično v odraslem vedenju potomcev. Posledice kajenja so lahko epigenetskega izvora-metilacija DNA in genov, pomembnih za razvoj možganov, kot je gen za protein BDNF (brain-derived neurotrophic factor). BDNF je nevrotrofin, rastni faktor, ki deluje v centralnem in perifernem živčnem sistemu, kjer pomaga vzdrževati preživetje obstoječih nevronov in vzpodbuja rast in diferenciacijo novih nevronov in sinaps, zato igra pomembno vlogo v normalnem nevralnem razvoju. Raziskovana je bila metilacija DNA v BDNF-6 eksonu. Rezultati predlagajo, da prenatalna izpostavljenost ploda cigaretnemu dimu lahko vodi k dolgoročnemu zmanjšanemu izražanju BDNF gena kot posledica povečanja DNA metilacije v promotorski regiji. V človeški odrasli populaciji je regija možganov, na katero je vpliv kajenja največji orbitofrontal cortex – OFC, to je regija frontalnega režnja v možganih, ki je odgovoren za učinke sprejemanja odločitev in pričakovanj. OFC regulira čustva in vedenje za načrtovanje, povezanim za dojemanje nagrad in kazni. Ugotovili so, da je OFC dovzeten za modifikacije preko materinega kajenja cigaret - prenatalno kajenje inducira napad na plodov OFC, kar vodi do stanjšanja njegove strukture. Materino kajenje cigaret poveča epigenetske modifikacije BDNF gena v potomcih, okrepi metilacijo na CG ponovitvah, najdenih v DNA v krvi izpostavljenih v odrasli dobi. Takšni mehanizmi imajo vpliv na ekspresijo BDNF gena, kar ima lahko kritične posledice na strukturo možganov.[5] Še en dokaz za metilacijo DNA zaradi vpliva kajenja med nosečnostjo so pokazale razlike v DNA metilacijskem vzorcu, prisotnem v otrocih, izpostavljenih cigaretnemu dimu. To so demonstrirali z uporabo 2 ponavljajočih DNA elementov - (LINE1- long interspersed nucleotide element 1) – dolgi vrinjeni nukleotidni element in kratek vrinjen nukleotidni element (AluYb8), ki sta služila kot nadomestna markerja za detekcijo globalne metilacije. Gen-specifične CpG metilacijske razlike pri izpostavljenih otrocih so se pokazale v nižji stopnji metilacije na AluYb8. Vpliv cigaretov na metilacijo LINE1 je bil opazovan na otrocih s skupnim GSTM1 ničtim genotipom. Diferenciacijska metilacija CpG je bila identificirana v 8 genih. 2 gena, AXL in PTPRO sta kazala visoko povečanje metilacijske dejavnosti v izpostavljenih otrocih. Ekspresija teh dveh genov je pod kontrolo DNA metilacije. Gen-specifična hipermetilacija ni unikatna in je bila opazovana tudi v raku, zato imata ta dva gena morda povezavo z rakom in razvojem astme. Globalna hipometilacija (na delih, ki nosijo zapise za konstitutivne gene) naj bi se odražala v kromosomski nestabilnosti in v povišani mutacijski dejavnosti, medtem ko lahko promotorska hipermetilacija (povezana s tkivno-specifičnimi geni) utiša izražanje tumor-supresorskih genov. [6,7]

Z vse boljšim razumevanjem mehanizma epigenetskega uravnavanja izražanja genov postaja vse bolj jasno, da poleg naključnih sprememb v DNA obstajajo tudi usmerjeni mehanizmi, ki pojasnjujejo molekularno ozadje vpliva okolja na razvoj osebka. Vsak osebek lahko torej s svojim načinom življenja, kot recimo s kajenjem in izpostavljenostjo stresnim faktorjem, spreminja acetilacijo histonov in metilacijo DNA in vsaj delno vpliva na delovanje svojega telesa ter potencialni razvoj bolezni. Po drugi strani, pa je splošno prepričanje, da je vsako drugačno delovanje organizma zelo škodljivo, včasih zmotno. Tako je denimo povečana anksioznost podgan, ki niso bile negovane, lahko prednost v nevarnem, stalno spreminjajočem se okolju. Skozi oči evolucije je torej tudi epigenetski prenos na videz negativnih učinkov lahko izjemno koristen.

VIRI

[1] Lick your rats. [citirano 15.4.2011] http://learn.genetics.utah.edu/content/epigenetics/rats/ [2] Glukokortikoidni receptor. Wikipedija. [citirano 15.4.2011] http://en.wikipedia.org/wiki/Glucocorticoid_receptor [3] MacGowan, O. P. in drugi. Epigenetic regulation of the glucocorticoid receptor in human brain associates with childhood abuse. Nature neuroscience, 2009, letn. 12, str. 342-348. http://www.nephrologie.insel.ch/fileadmin/nephro/nephro_user/Pdf/Daniel_Lienhard_2_6_2010.pdf [4] Uchida, S. in drugi. Epigenetic status of Gdnf in the ventral striatum determines susceptibility and adaptation to daily stressful events. Neuron, 2011, letn. 69, str. 188-190. http://74.125.155.132/scholar?q=cache:ZOTDHTtjT5cJ:scholar.google.com/&hl=sl&as_sdt=0 [5] Shahrdad Lotfipour, Tomas Paus. Association Between Prenatal Exposure to Maternal Cigarette Smoking and the Brain and Behaviour of Adolescent Offspring. University of California-Los Angeles, USA The Rotman Research Institute, University of Toronto, Canada. (Published online February 18, 2011) http://www.child-encyclopedia.com/documents/Lotfipour-PausANGxp1.pdf

[6] Carrie V. Breton, Hyang-Min Byun, Made Wenten, Fei Pan, Allen Yang and Frank D. Gilliland. Prenatal Tobacco Smoke Exposure Affects Global and Gene-specific DNA Methylation. (Originally Published in Press, on June 4, 2009) http://ajrccm.atsjournals.org/cgi/reprint/180/5/462.pdf

[7] Frederica Perera, JulieHerbstman. Article in press. Prenatal environmental exposures, epigenetics, and disease. Columbia Center for Children’s Environmental Health, Mailman School of Public Health, Columbia University, New York, United States. 21 May 2010 Published by Elsevier Inc. 2011 http://ccceh.hs.columbia.edu/pdf-papers/PereraReproToxic2011.pdf

[8] Tim F. Oberlander, Joanne Weinberg,Michael Papsdorf, Ruth Grunau,Shaila Misr in Angela M. Devlin. Prenatal exposure to maternal depression, neonatal methylation of human glucocorticoid receptor gene (NR3C1) and infant cortisol stress responses. Epigenetics, 2008 (marec/april); 3 (2): str. 97-106 http://www.landesbioscience.com/journals/epigenetics/article/6034/

[9] Amy L. Salisbury, Kathryn L. Ponder, James F. Padbury in Barry M. Lester. Clin Perinatol. 2009 (september) ; 36(3): 595–619 http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2767264/pdf/nihms149863.pdf