Генетика стресса Светлана Александровна Боринская Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН. - презентация

1 Генетика стресса Светлана Александровна Боринская Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН

2 В письме 1768 года к некому, судя по всему юному, адресату Вольтер замечает: «Если Вы, сударь, желаете серьёзно предаться изучению природы, то позвольте сказать Вам, что следует поступать так, как поступали Галилей, Ньютон: рассматривать, взвешивать, считать и измерять, но никогда не отгадывать…» (Державин К.Н., Вольтер, М., Изд-во АН СССР, 1946 г., с. 89).

3 - Мы обсуждаем с одной стороны природу, то есть научный подход к природе, а с другой стороны, мы говорим, что нам, человечеству, даны от Бога некоторые знания. ЭВОЛЮЦИЯ ЧЕЛОВЕКА. МОЗГОВОЙ ШТУРМ - Мы экспериментальным образом исследуем, выдвигаем гипотезы, проверяем гипотезы, ставим эксперименты, анализируем ДНК… Но каким образом возникает то знание, о котором Вы сказали? Вы же эксперименты не ставите? - Есть познание рациональное, эмпирическое и есть познание религиозное, которое является божественным откровением.

4 В лекции представлены данные, полученные исключительно эмпирическим путем - в результате лабораторных экспериментов, эпидемиологических обследований, обобщения результатов различных исследований, с применением оценок статистической значимости результатов.

5 János Selye 1907, Вена – 1982, Монреаль Ганс Селье Синдром, вызываемый различными вредными агентами Nature 138, июля 1936 > цитирований работ Селье по стрессу

6 Гипоталамус Кортикотропин- релизинг фактор Гипофиз Гиппокамп Клетки иммунной системы Надпочечники адреналин глюкокортикоиды АКТГ Гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система

7 Увеличение сердцебиения, частоты дыхания Повышенное потоотделение Подавление эрекции Аудиторная избирательность или потеря слуха Туннельное зрение (утрата периферического зрения) Расширение зрачков Тремор Ослабление поверхностного кровообращения (бледность кожных покровов), повышение свертываемости крови предотвращают потерю крови при возможных повреждениях поверхностных тканей Сужение кровеносных сосудов во многих частях тела Повышение кровяного давления, в сочетании с расширением кровеносных сосудов в мышцах Повышение уровня сахара и мобилизация жиров (ресурс для предполагаемой работы мышц) Замедление или прекращение пищеварения, ослабление перистальтики кишечника Остановка слюноотделения и выработки слезной жидкости Ускорение спинальных рефлексов Сужение сознания - концентрация на источнике опасности, что позволяет частично или полностью игнорировать не относящиеся к нему сигналы: посторонние звуки, движения на периферии зрения и т.п. В момент опасности адреналин и норадреналин способствуют немедленным физическим реакциям, связанным с подготовкой организма к повышенной активности адреналин

8 Увеличение сердцебиения, повышение кровяного давления повышение свертываемости крови При чрезмерной силе или длительности стрессового ответа нарушаются функции организма и самих адаптационных систем Развитие соматической и психологической декомпенсации происходит по механизму «слабого звена», когда не выдерживает нагрузки одна из стресс зависимых систем Мобилизация жиров Изменение гемодинамики и тонуса мускулатуры кишечника Повышение уровня сахара Сужение сознания - концентрация на источнике опасности, что позволяет частично или полностью игнорировать не относящиеся к нему сигналы Гипергликемия, диабет II Гиперлипидемия, риск атеросклеротических изменений Повреждение слизистой ЖКТ, язвенная болезнь ПТСР, панические атаки, иные психические расстройства Гипертония, повреждения сердечно- сосудистой системы, инфаркты, инсульты

9 Стрессовый Восстановление Адаптация ответ Время (час.) Возбудимость, эмоциональное возбуждение, бдительность, поведенческий ответ Снижение возбуждения, возвращение систем к обычному режиму функционирования, кодирование информации Консолидация в памяти полученного опыта для обеспечения адаптивного поведения в будущем Brain development under stress: hypotheses of glucocorticoid actions revisited. Oitzl et al., Neurosci Biobehav Rev (6): кортизол Глюкокортикоиды кортизол Кортикостерон Минералокортикоиды альдостерон дезоксикортикостерон Глюконеогенез, повышение уровня сахара в крови Иммуносупрессия Регуляция метаболизма белков, липидов и углеводов Длительная гиперсекреция кортизола вызывает различные метаболические нарушения: снижение массы мышечной ткани, резистентность клеток к действию инсулина, гипергликемию, снижение иммунитета Кортикостерон Стрессор

10 Почему при стрессе настроение падает?

11 триптофан Серотонин TDO - tryptophan 2,3 dioxygenase IDO - indoleamine 2,3 dioxygenase NMDA-рецептор кортизол Dantzer et al., Nat Rev Neurosci.; 9(1): 46–56 мелатонин Почему при стрессе настроение падает (и при простуде тоже): кортизол и иммунная стимуляция «отвлекают» ресурсы от синтеза «гормона счастья» серотонина

12 Поведение, типичное для болезни Поведение, похожее на депрессию 2-6 часов 24 часа Время после введения ЛПС Поведение, типичное для болезни Поведение, похожее на депрессию Провоспалительные цитокины ЛПС Dantzer et al., Nat Rev Neurosci.; 9(1): 46–56 Депрессия, вызванная воспалительными процессами Больной человек или больная крыса имеют сниженную физическую активность, отказываются от еды, питья и социальных контактов. Это может быть ответом на повышение уровня интерлейкинов – медиаторов воспаления

13 CPT – руку испытуемого погружали на 1 мин в ледяную воду MST – испытуемого просили производить устно арифметические действия (вычитать по 13 из 1079 в течении 5 мин), при работе метронома (2 Hz). Arnljot Flaa, Ivar K. Eide, Sverre E. Kjeldsen and Morten Rostrup Sympathoadrenal Stress Reactivity Is a Predictor of Future Blood Pressure : An 18-Year Follow-Up Study // Hypertension 2008, 52: : Norway Реакция на ментальный стресс у молодых мужчин является предиктором гипертонии в более старшем возрасте Тертили по концентрации норадреналина у призывников при MST (19-летние норвежцы) Показатели (N=87)Исходно MST CPT Систолическое (mmHg) Диастолическое (mmHg) Частота сердцебиения Адреналин (pg/mL) Норадреналин (pg/mL) Исходное обследование Систолическое давление в покое у тех же испытуемых через 18 лет

14 ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА СТРЕССОВЫЙ ОТВЕТ Тип и сила стрессора Особенности личности Жизненный опыт, наличные стратегий совладания со стрессом Гены

15 Гены и стресс

16 Rokutan et al. Gene expression profiling in peripheral blood leukocytes as a new approach for assesment of human stress response. J Med Invest : Morita et al., Expression analysis of psychological stress-associated genes in peripheral blood leukocytes. // Neurosci Lett Jun 10-17;381(1-2):57-62 Изменения уровня экспрессии генов у соискателей степени PhD до и после защиты диссертации Показаны изменения уровня экспрессии 519 генов. Нормировано на уровень экспрессии за 4 недели до защиты. Выявлено 70 генов, экспрессия которых меняется сходным образом у всех испытуемых - в основном гены цитокинов и их рецепторов, белков, участвующих в апоптозе и ответе на тепловой шок.

17 Зло – злом… Надобно было уничтожать причины преступлений (среду). Но не в одних причинах преступление: не в среде Неизданный Достоевский. Запись в тетради 1876 – 1877 годов М.: Наука, 1971

18 Из Википедии: синапс МАОА работает дворником, выметая «лишние» нейромедиаторы МОНОАМИНОКСИДАЗА MAOA

19 замена одной буквы Т С в гене МАОА «выключает» ген и ведет к агрессивному поведению у мужчин Х-сцепленное наследование АГРЕССИЯ

20 ВЛИЯНИЕ ВОСПИТАНИЯ НА ПРОЯВЛЕНИЕ ГЕНОВ ген-средовые взаимодействия

21 ИНДЕКС АСОЦИАЛЬНОГО ПОВЕДЕНИЯ Нет Возможно Тяжелые ПЛОХИЕ УСЛОВИЯ Низкоактивная МАОА n=163 чел. Убийство Изнасилование Нападение с целью нанесения повреждений Жестокость по отношению к животным Высокоактивная МАОА n=279 чел. СРЕДА ВЛИЯЕТ НА ПРОЯВЛЕНИЕ ГЕНОВ СВЯЗЬ АНТИСОЦИАЛЬНОГО ПОВЕДЕНИЯ, УСЛОВИЙ ВОСПИТАНИЯ И ГЕНОТИПА ПО ГЕНУ МАОА

22 Хронический стресс, связанный с уходом за тяжело больными близкими людьми (окно, деменция), ведет к повышенному риску сердечно-сосудистых, окнологических заболеваний, нарушений иммунитета (астма, РА), нарушений сна, депрессии и преждевременной смерти. утро день вечер Низкоактиваная Выоскоактивная стресс контроль стресс контроль Уровень кортизола Уровень кортизола у мужчин, ухаживающих за родственниками с психическим заболеваниями, в зависимости от генотипа MAOA Низкоактивный аллель –при хроническом стрессе нарушена суточная динамика уровня кортизола

23 Из Википедии: синапс Забирает серотонин из синаптической щели обратно в выпустивший его нейрон ТРАСНПОРТЕР СЕРОТОНИНА Транспортер серотонина серотонин рецепторы

24 tgcagcccccccagcatctcccctgcacccccagcatcccccc.... ctgcaccccccagcatcccccc tgcagcccttccagcat.... VNTR-ПОЛИМОРФИЗМ ПРОМОТОРНОГО УЧАСТКА ГЕНА ТРАНСПОРТЕРА СЕРОТОНИНА серотонин 6 повторов S-аллель (низкий уровень экспрессии) 8 повторов L-аллель

25 Five groups of individuals having different numbers of life events, ages Self reports of depression symptoms, age 26 5-HTT gene The association between Stressful Life Events and self-reports of depression symptoms at age 26, as a function of SERT genotype низко - активный ген (гомозиготы) высоко - активный ген (гомозиготы ) Caspi et al., Science 2003 Сообщают о наличии депрессии гетерозиготы Связь между перенесенными стрессами и сообщениями о депрессии в возрасте 26 лет в зависимости от генотипа по гену транспортера серотонина HTTLPR Хорошие условия Терпимые условия Плохие условия

26 Стресс – измерение субъективных переживаний по опросникам. ПТСР - посттравматическое стрессовое расстройство (DSM-IV). Возникает после тяжелого психотравмирующего события - повторяющееся, навязчивое воспроизведение в сознании психотравмирующего события - избегание мыслей, чувств или разговоров, связанных с травмой - постоянная бдительность, ожидание угрозы. Риск ПТСР 8-24% в зависимости от типа травмы (преступления против личности связаны с большим риском, чем катастрофы или ДТП) Частые осложнения - сердечно-сосудистые, эндокринные, нервные заболевания и нарушения пищеварения. Близнецовые исследования: наследственность объясняет 30% риска PTSD True WJ, Rice J, Eisen SA, Heath AC, Goldberg J, Lyons MJ, Nowak J: A twin study of genetic and environmental contributions to liability for posttraumatic stress symptoms. Archives of General Psychiatry 1993, 50: Stein MB, Jang KJ, Taylor S, Vernon PA, Livesley WJ: Genetic and environmental influences on trauma exposure and posttraumatic stress disorder: A twin study. American Journal of Psychiatry 2002, 159:

27 Уровень преступности Высокий Низкий Уровень безработицы Высокий Низкий Частота ПТСР у носителей различных генотипов по 5-HTTLPR в зависимости от социальных условий (Исследование последствий урагана во Флориде-2004). Koenen et al., Modification of the Association Between Serotonin Transporter Genotype and Risk of Posttraumatic Stress Disorder in Adults by County-Level Social Environment // American Journal of Epidemiology 2009 Vol. 169, No. 6 L/L S/L S/S - генотипы - ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ И СРЕДЫ Влияние генотипа по полиморфизму HTTLPR гена транспортера серотонина на частоту ПТСР после урагана в зависимости от социального окружения Аллель L – высокая активность, аллель S – низкая активность

28 ГЕНЫ, РАННИЙ И СТРЕСС СПОСОБНОСТЬ К ОБУЧЕНИЮ Крысята заботливых матерей имели более высокий уровень секреции факторов роста, серотонина и гормонов щитовидной железы. Став взрослыми, они демонстрировали меньший ответ на стресс (были более бесстрашными, имели меньшую амплитуду проявлений эмоциональных реакций, более слабые адрекнокортикальные рекацкии в ответ на стресс). В зрелом возрасте они лучше решали пространственные задачи на ориентировку в пространстве и сохраняли лучшую память, чем животные, обделенные в детстве материнским вниманием. У крысят, переживших стресс в 3-дневном возрасте (изоляция от матери на несколько часов), резко возрастал уровень гормона стресса кортизола. Однако впоследствии уровень кортизола падал и у взрослых животных был гораздо ниже, чем в контрольной группе. У взрослых животных наблюдались нарушения обучения и запоминания, но не было отличий в извлечении следов памяти. В стрессовых ситуациях их действиях разрушались меньше, чем у животных, не подвергавшихся в детстве стрессу. Oitzk et al., Brain development under stress: hypotheses of glucocorticoid actions revisited. Neurosci Biobehav Rev May;34(6):

29 Melly S. Oitzl, Danielle L. Champagne, Rixt van der Veen, E. Ronald de Kloet Brain development under stress: hypotheses of glucocorticoid actions revisited. // Neurosci Biobehav Rev (6):853-66; Champagne, D.L., Bagot, R.C., van Hasselt, F., Ramakers, G., Meaney, M.J., de Kloet, E.R., Joels, M., Krugers, H., Maternal care and hippocampal plasticity: evidence for experience-dependent structural plasticity, altered synaptic functioning, and differential responsiveness to glucocorticoids and stress. // J. Neurosci. 28, 6037–6045. Условия воспитания в детстве влияют на устойчивость к стрессу во взрослом возрасте В обычных условиях потомки Low LG крыс хуже решают задачи, связанные с ориентированием в пространстве (функции гиппокампа) по сравнению с потомками High LG самок. Однако в стрессовых условиях (удар током) у животных Low LG способнось к обучению нарушается меньше, чем у High LG (регистрируется также по изменению LTP при действии ГК). Предполагается, что в период развития это адаптивная предиктивная настройка на условия среды. Замирания по сравнению с базовым уровнем

30 Обучение и формирование долговременных воспоминаний у животных основано на постоянном образовании новых и отмирании старых связей между нейронами мозга. Американским нейробиологам впервые удалось детально проследить за этими процессами в ходе обучения у мышей. Оказалось, что при обучении дендриты (ветвящиеся «входные» отростки нейронов) образуют множество новых веточек, количество которых коррелирует с эффективностью обучения. После окончания тренировок большая часть новых отростков постепенно атрофируется, но некоторые сохраняются на всю жизнь, что обеспечивает длительное хранение приобретенных воспоминаний и навыков. Схема эксперимента (а), участки моторной коры под разным увеличением (b, c) и формирование новых шипиков на отдельном участке одного дендрита (d, e). На рисунке e красными стрелками показаны два дендритных шипика, выросшие за два дня обучения бегу на крутящемся цилиндре Новоприобретенные шипики, делятся на три группы: первая, самая многочисленная, исчезает в первые дни после окончания тренировок; вторая, меньшая, сохраняется в среднем 1–2 месяца. Но есть и третья группа шипиков (около 0,8% от общего числа), которая сохраняется на всю жизнь. Авторы рассчитали, что двухдневное обучение бегу на вращающемся цилиндре приводит к формированию около двух миллионов межнейронных контактов, сохраняющихся до самой смерти животного. Очевидно, этого вполне достаточно для сохранения двигательного навыка. Guang Yang, Feng Pan, Wen-Biao Gan. Stably maintained dendritic spines are associated with lifelong memories // Nature

31 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ ВОСПИТАНИЯ НА РАБОТУ ГЕНОВ

32 Структура гена NR3C1 Аллель T Аллель C rs p=0.02 изоформа GR-alpha – активируемый лигандом транскрипционный фактор изоформа GR-beta может ингибировать транскрипционную активность GR-alfa Наследственность: Тимин в промоторе гена рецептора глюкокортикоидов NR3C1 ассоциирован с депрессией

33 Tyrka AR, Price LH, Marsit C, Walters OC, Carpenter LL. Childhood adversity and epigenetic modulation of the leukocyte glucocorticoid receptor: preliminary findings in healthy adults./ PLoS One. 2012;7(1):e Эпигенетическая регуляция экспрессии гена рецептора глюкокортикоидов NR3C1 : Метилирование CpG в промоторе усилено при плохих условиях в детстве (потеря родителя, плохие условия воспитания). Экспрессия гена снижена. Пониженнный уровень мРНК первого экзона выявлен на постмортальных препаратах мозга пациентов с депрессией. Хронический стресс и лечение ГК, депрессия, ПТСР, плохие условия воспитания в детстве ведут к атрофии гиппокампа Аллель NR3C1-1 T –генокопия плохого воспитания?

34 Belsky et al., Vulnerability genes or plasticity genes? Molecular Psychiatry, 2007 Гены, вовлеченные в регуляцию поведения: MAOA, HTT, DRD4 ПРЕДРАСПОЛОЖЕНОСТЬ ИЛИ ПЛАСТИЧНОСТЬ? Ранее считалось, что есть «хорошие» и «плохие» (повышающие риск развития депресси, алкоголизма и т.п.) варианты генов. Но в благоприятных условиях воспитания «рисковые» варианты дают более высокий результа. Возможно, более корректно рассматриват их не как «рисковые», а как более пластичные, т.е. дающие результат в большей мере зависящий от среды Благоприятная среда Неблагоприятная среда Доля индивдов с депрессией Носители «хорошего» варианта гена Носители «рискового» варианта гена

35 БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ Лекция по генетике стресса в программе «Медицина в контексте» на «Первом медицинском канале»