Эволюция, эпигенетика и пищевые привычки

Беседа с Мэрион убедила меня, что все мы хоть немного, но можем поменять свое пищевое поведение. Я знаю, что внимание ученых, исследующих питание, обращено к новой научной отрасли – эпигенетике. Но насколько они близки к разработке терапевтических методов, способных изменить пищевые предпочтения во взрослом возрасте? Чтобы побольше узнать об эпигенетике и ее возможном применении на практике, я встретилась с профессором Набилем Аффарой из отделения патологии Кембриджского университета. Он изучает, как внешняя среда влияет не на саму ДНК, а на то, как ее считывает и использует организм. Иными словами, предметом его исследований является выражение (или экспрессия) генов. Увлекательнее всего, что генетическая мутация проявляется за несколько поколений, а не в масштабах эволюции.

Роль окружающей среды в управлении экспрессией генов – эпигенетическая регуляция – была открыта совсем недавно. Эпигенетика помогает объяснить, почему клетки организма с одним и тем же генетическим кодом могут вести себя абсолютно по-разному. Каждая клетка тела на основании своего генетического кода создает белки, необходимые для ее работы. То, какие именно участки ДНК активируются, зависит от среды: желудок дает команду одной клетке действовать соответствующим образом, другая же получает приказ от органов зрения вести себя как клетка глаза.

Войдя в отделение, где работает Набиль, я ощутила густой едкий запах горелого агар-агара. Набиль исследует, как питание родителей (и даже их предков) может повлиять на поведение человека и его детей. Он изучает стадию, предшествующую зачатию, рассматривая то, каким образом пищевая среда сперматозоидов и яйцеклеток может изменить экспрессию генов в двух следующих поколениях.

Эпигенетика питания сформировалась под влиянием многолетних исследований популяции голландцев, которые появились на свет в конце Второй мировой войны. Ученые сравнили здоровье людей, родившихся на территории, оккупированной немецкими войсками, где люди голодали в 1944–1945 годах, и тех, кто родился в освобожденной зоне и имел больший доступ к продовольствию. Выяснилось, что у детей, родители которых скудно питались в период их зачатия, было гораздо больше шансов столкнуться с ожирением и диабетом во взрослом возрасте. Это объясняется гипотезой несоответствия. Если ребенок растет в условиях дефицита, его организму нелегко привыкнуть к изобилию. Дело не в том, что ДНК таких детей перестраивается под влиянием этих условий, какими бы суровыми они ни были, – меняется само поведение генов, и эта модификация передается двум следующим поколениям. На это нужно обращать внимание и в наше время, когда существует изобилие высококалорийной, но недостаточно богатой питательными веществами пищи.

Это еще одно подтверждение того, что наш образ питания программируется не просто до рождения, но даже еще до зачатия. Тем не менее другие эпигенетические исследования, хоть пока и далекие от своего завершения, однажды могут привести к появлению терапевтических методов, способных помочь отдельным взрослым людям. Появляется все больше и больше свидетельств того, что все виды пищевого поведения задаются окружающей средой, в которой жили наши родители еще до нашего зачатия. В ходе одного из таких экспериментов были получены открытия, которые можно будет использовать в лечении зависимостей. Более того, они оказались столь масштабными, что их публикация всколыхнула все научное сообщество.

Керри Ресслер, профессор психиатрии и поведенческих наук в университете Эмори, изучал, как мыши выбирают пищу под давлением окружающей среды. Как мы уже знаем, у грызунов и людей практически одинаковые системы вознаграждения с прилежащим ядром мозга, которое активируется, предвосхищая вкусную награду. Соседние области мозга – мозжечковая миндалина и островковая доля – связаны с эмоциями, в частности со страхом. Керри исследовал взаимодействие между этими частями мозга. Мышам давали нюхать ацетофенон – химическое вещество, придающее вишне сладкий запах, – и одновременно с этим поражали их разрядом тока. В нейтральных условиях животные принюхивались и искали сладкую вишню, а их прилежащее ядро активировалось в ожидании вкусной пищи. Но раз за разом мыши учились связывать сладкий запах с неприятными ощущениями и застывали, едва учуяв его. У них даже начали появляться новые нейронные ответвления и проводящие контуры в частях мозга, отвечающих за обработку запахов. Это объясняется необходимостью надежного закрепления нового поведения. Невероятно, но эта приобретенная поведенческая реакция была передана детенышам мышей и их потомству. Последующие поколения грызунов замирали, почувствовав запах вишни, хотя их никогда не било током при его появлении.

Это открытие стало откровением. Как опыт, приобретенный во взрослом возрасте – связь электрошока с запахом вишни, – передается по наследству? Если коротко, все дело в эпигенетической модификации. Оказывается, внушенный страх вызвал генетические изменения, но не в самой ДНК, а в том, как она использовалась в организме мышей. Настройки рецепторных нейронов, воспринимавших запах вишни, а также их расположение и количество были перестроены и закреплены в сперматозоидах мышей, через которые они передались следующим поколениям. Исследователи попробовали ассоциировать электрический разряд с алкоголем и убедились, что спиртные напитки отпугивали, а не привлекали мышей на протяжении всей их жизни. Если это открытие справедливо и для людей, с его помощью можно объяснить, как фобии передаются от человека к человеку, даже когда тот ни разу не испытывал триггеров, и как сложные виды поведения могут наследоваться потомками, даже когда у них не было возможности обучаться этому через наблюдение.

Нет, я вовсе не предлагаю вам бить себя слабым электрическим разрядом каждый раз, когда вы проходите мимо булочной. И все же результаты исследований говорят, что окружающую среду и генетическую предрасположенность можно обмануть во благо будущих поколений, изменив эмоциональный отклик и даже наши генетические реакции на еду. Многообещающий эксперимент, посвященный употреблению алкоголя, предполагает, что аддиктивное или компульсивное поведение можно преодолеть и тем самым серьезно повлиять на жизнь миллионов людей.

Парадоксально, но факт: поняв, как программируются наши предпочтения и аппетиты, мы сможем использовать этот же механизм, чтобы менять черты характера, передаваемые из поколения в поколение. Также эпигенетика демонстрирует, что у эволюционных генетических изменений, на которые уходят тысячи лет, есть альтернатива, а между унаследованными нейронными связями и средой, в которой мы живем, существует очень сложная связь. Мы еще только начинаем понимать, как она устроена, и нам предстоит долгий путь к полному раскрытию ее потенциала. Однако, учитывая темпы научного прогресса, у нас есть основания надеяться, что однажды мы научимся преодолевать соблазн съесть пончик.

Эпигенетика – не единственная научная отрасль, дающая надежду на решение проблем человеческого питания. Есть и другие технологические открытия, позволяющие понять, как мозг принимает решения, как работает мышление и как формируются эмоции. В первом десятилетии XXI века появилось одно из самых революционных направлений в этой области – оптогенетика. Я уверена, что люди, стоявшие у его истоков и внесшие значительный вклад в его развитие: Эрнст Бамберг, Эд Бойден, Карл Диссерот, Петер Хегеманн, Геро Мизенбек и Георг Нагель, – однажды получат Нобелевскую премию. Этот метод использует генную инженерию для контроля электрической активности нервной системы с помощью света и позволяет исследователям анализировать сложные микросхемы разума не только с точки зрения анатомии, но и функциональности. С помощью оптогенетики мы можем мгновенно и точно включать или выключать отдельные проводящие нейронные пути. Только лишь это демонстрирует, как в мозге генерируются сложные виды поведения – от любви до социальной тревоги или зависимости. В следующих главах мы еще вернемся к тому, как оптогенетика открыла беспрецедентное понимание психических расстройств, и рассмотрим, как оно повлияло на больных.

Пока же я хочу вернуться к вопросу, поднятому эпигенетическими исследованиями, о том, как дефицит питательных веществ до рождения человека влияет на его пищевые привычки во взрослом возрасте, а также на питание будущих поколений. Мы понимаем, что информация передается с помощью механизмов эпигенетической модификации, но по-прежнему не знаем, какие именно мозговые цепи поддерживают этот процесс. Может быть, в этом нам поможет оптогенетика?

С помощью оптогенетики и других технологий доктор Денис Бурдаков из лондонского института Фрэнсиса Крика выяснил, какие микросхемы мозга управляют нашими реакциями на потребление питательных веществ. Его лаборатория исследовала гипоталамус – небольшую структуру в промежуточном мозге, – который участвует в контроле таких базовых функций млекопитающих, как температура тела, жажда, голод и сон. Кроме того, в нем происходит экспрессия FTO-гена. Его вариации способны привести к тому, что человек не может удовлетворить свой аппетит, даже когда сыт. Такие люди, как правило, имеют избыточный вес.

В гипоталамусе находятся специфические нейроны, определяющие баланс макроэлементов в рационе. Они не столько следят за калорийностью пищи, сколько измеряют диетический баланс. Эксперименты Дениса показали, что эти нейроны помогают анализировать, достаточно ли в рационе мыши незаменимых аминокислот и других питательных веществ, в которых организм нуждается, но не умеет вырабатывать самостоятельно, а потому должен получать их из пищи. Завершив анализ, нервные клетки отправляют дофаминовый сигнал в систему вознаграждения. Этот отточенный молекулярный механизм действует на нейронные контуры по принципу двойного отрицания: пока в доступной пище недостаточно питательных веществ, мышь продолжает искать еду. И наоборот, при достижении правильного аминокислотного баланса животное почувствует сытость и прекратит есть. Вслед за этим гипоталамус посылает сигнал, призывающий ко сну. Раз больше не нужно добывать питательные вещества для организма, почему бы не отдохнуть? И, по-видимому, в этом процессе участвует FTO-ген.

Исследования Дениса открывают новые горизонты в области сознательного управления балансом питательных веществ в нашем рационе для достижения чувства сытости. Возможно, если мы сможем настроить систему вознаграждения так, чтобы она помогала нам выбирать более здоровое питание (особенно те из нас, кто из-за специфической вариации FTO-гена склонен к ожирению), у нас появится шанс обмануть свою судьбу. Я уже применяла результаты этого исследования на личном опыте, и в целом я довольна. Например, если я не могу уснуть из-за тревоги и гиперактивности, а утром мне нужно рано проснуться и быть в форме, я ем на ночь продукты, богатые незаменимыми аминокислотами, например сою, гречку, киноа, яйца и курицу. Таким образом мой мозг получает сигнал ко сну.

Новые революционные открытия в области вмешательств на биологическом уровне возможны именно благодаря таким технологическим прорывам, как мыши Брэйнбоу, оптогенетика и генная инженерия. Их обобщенно называют методами глубокой стимуляции мозга. Вероятно, в будущем они позволят по-новому лечить зависимости, депрессию и ожирение. В клинических испытаниях уже готовы участвовать пациенты, которым не помогли другие способы лечения. Предварительные результаты обнадеживают, но нельзя забывать, что это глубокая инвазия, а потому нужно соблюдать максимальную осторожность. Хирург вскрывает череп и встраивает крошечное дистанционно управляемое устройство электрической стимуляции в прилежащее ядро мозга, а затем возвращает кости в исходное положение и накладывает шов. Подключение устройства мгновенно активирует систему вознаграждения, выключая симптомы болезни. Человек получает награду, не употребив желаемое вещество. Так можно буквально включать и выключать унаследованное пристрастие к сахару и жирным продуктам. Глубокую стимуляцию мозга уже с успехом применяли в отношении людей, страдающих героиновой зависимостью и тяжелой депрессией, а сейчас идут испытания лечения болезни Паркинсона.

Даже имея все современные знания о работе мозга, трудно не испытывать сильные эмоции, наблюдая, как изменение электрического тока в определенном мозговом контуре способно радикально изменить давно укоренившиеся модели поведения. Но еще поразительнее то, что таким образом можно избавить человека от тяжелейших симптомов болезни. Благодаря глубокой стимуляции мозга достижения в области нейробиологии могут привести к более избирательным терапевтическим техникам и позволят нам как биологическому виду ослабить нежелательные черты нашей природы. Несомненно, в мире есть и другие, не менее захватывающие открытия и методы лечения, разработанные на основе нейробиологических исследований, однако их могут применять только врачи. Но существуют ли менее инвазивные способы, которые позволяют использовать новые знания в области нейробиологии, чтобы изменить свою судьбу в вопросе питания, прежде чем разовьются такие патологии, как ожирение, зависимости или диабет?

Как обмануть предрасположенность к полноте