Эпигенетические изменения при посттравматическом стрессовом расстройстве: возможности и ограничения эпигенетической терапии

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Фундаментальные и клинические исследования последних двух десятилетий в области неврологии и психиатрии показывают, что эпигенетические механизмы играют ведущую роль в формировании структурной и функциональной сложности нервной системы. Они принимают непосредственное участие в нейрогенезе, синаптической пластичности, наследовании когнитивных и поведенческих фенотипов [1–4], а также в реакции организма на психогенный стресс [5–8] и фармакотерапию [9–12].

Эпигенетика — это раздел генетики, который изучает молекулярные механизмы фенотипического проявления изменений экспрессии генов и их митотического и мейотического наследования [13, 14]. К эпигенетическим механизмам регуляции экспрессии генов относятся: метилирование и гидроксиметилирование нуклеотидов ДНК, различные модификации аминокислот в гистонах, некодирующие микроРНК, ремоделирование (конформационные изменения) хроматина и трехмерная организация хроматина в ядре. При этом нельзя строго выделить какой-то один конкретный тип (уровень) эпигенетических модификаций, влияющий на экспрессию гена/генов, так как эпигенетическая регуляция — это достаточно сложная сеть молекулярных взаимодействий и их сочетанного действия, что мы попытались схематично представить на рис. 1 и о чем в краткой форме будет изложено ниже в соответствующих подразделах.

 

Рис. 1. Схема эпигенетических механизмов регуляции экспрессии генов у эукариот. A, G, T, C — азотистые основания (аденин, гуанин, тимин, цитозин); DNMTs — ДНК-метилтрансферазы; UHRF1 — убиквитин-подобный белок, содержащий домены PHD и безымянный палец; TETs — белки из семейства «транслокаций десять-одиннадцать» метилцитозин диоксигеназы; tdT — терминальные дезокситидилтрансферазы; C/EBPa, Klf4 и Tfcp2l1 — белки, участвующие в активном деметилировании ДНК; MBPs — метил-цитозин-связывающие белки; HATs — гистоновые ацетилтрансферазы; HDACs — гистоновые деацетилазы; HMTs — гистоновые метилтрансферазы; HDMs — гистоновые деметилазы; DUBs — деубиквитинирующие ферменты; HCTs — гистон-кротонилтрансферазы; PPIases — пептидил-пролил-цис/транс-изомеразы; PARPs — поли(АДФ-рибоза)полимеразы; tRNAs — транспортные РНК; rRNAs — рибосомные РНК; small RNAs — малые нкРНК; lncRNAs — длинные нкРНК; HIRA (histone cell cycle regulator), DAXX (death-associated protein), NAP (nucleosome assembly protein), CAF1 (chromatin assembly factor-1) и ASF1 (anti-silencing function 1A factor) — гистновые шапероны; ISWI (imitation switch), SWI/SNF (switch/sucrose non-fermentable), INO80 (inositol), NuRD/Mi2/CHD (chromodomain helicase DNA-binding) — комплексы ремоделирования хроматина; TADs — топологически ассоциированные домены; LLPS — фазовое разделение «жидкость–жидкость»; satDNAs — сателлитные ДНК; SARs (scaffold-attachment regions) и MARs (matrix-associated regions) — последовательности ДНК прикрепления к ядерному матриксу; SATB1 (special AT-rich sequence-binding protein-1) — белок, специфически связывающийся с АТ-богатыми последовательностями ДНК; CTCF — CCCTC-связывающий фактор.

Fig. 1. Diagram of epigenetic mechanisms regulating gene expression in eukaryotes. A, G, T, C, nitrogenous bases (adenine, guanine, thymine, cytosine); DNMTs, DNA methyltransferases; UHRF1, ubiquitin-like protein containing PHD and RING finger domains; TETs, ten–eleven translocation methylcytosine dioxygenase family proteins; tdT, terminal deoxynucleotidyl transferases; C/EBPα, Klf4, Tfcp2l1, proteins involved in active DNA demethylation; MBPs, methyl-CpG-binding proteins; HATs, histone acetyltransferases; HDACs, histone deacetylases; HMTs, histone methyltransferases; HDMs, histone demethylases; DUBs, deubiquitinating enzymes; HCTs, histone crotonyltransferases; PPIases, peptidyl-prolyl cis/trans isomerases; PARPs, poly(ADP ribose) polymerases; tRNAs, transfer RNAs; rRNAs, ribosomal RNAs; small RNAs, small non-coding RNAs; lncRNAs, long non-coding RNAs; HIRA (histone cell cycle regulator), DAXX (death-associated protein), NAP (nucleosome assembly protein), CAF1(chromatin assembly factor-1), ASF1 (anti-silencing function 1A factor), histone chaperones; ISWI (imitation switch), SWI/SNF (switch/sucrose non-fermentable), INO80 (inositol), NuRD/Mi2/CHD(chromodomain helicase DNA-binding), chromatin remodeling complexes; TADs, topologically associating domains; LLPS, liquid–liquid phase separation; satDNAs, satellite DNAs; SARs (scaffold-attachment regions), MARs (matrix-associated regions), DNA sequences attaching to the nuclear matrix; SATB1 (special AT-rich sequence-binding protein-1), protein specifically binding to AT-rich DNA sequences; CTCF, CCCTC-binding factor.

 

Воздействие различных внешних и/или внутренних факторов может изменять эпигенетический статус клетки и приводить к возникновению эпимутаций, то есть к стохастическим и/или направленным изменениям в эпигеноме, которые отличаются от условной нормы [15, 16]. Эпигенетические модификации и эпимутации как и генетические изменения (полиморфизм и мутация) могут митотически и/или мейотически наследоваться дочерними клетками в ряду поколений. Но в отличие от генетических изменений эпигенетические модификации и эпимутации не нарушают первичную структуру ДНК (генетический код), и они обратимы, благодаря чему возможна дифференциальная экспрессия генов на разных стадиях онтогенеза, в различных типах клеток, тканях и органах [13, 14, 16].

До сих пор большинство эпигенетических механизмов развития различных патологий изучали независимо друг от друга, но результаты исследований последнего десятилетия доказывают необходимость учитывать комбинацию (сочетанное влияние) разных эпигенетических модификаций в формировании медико-биологических эффектов на молекулярном уровне, в том числе это относится и к посттравматическому стрессовому расстройству (ПТСР) и связанным со стрессом расстройствам. К сожалению, пока еще нет опубликованных материалов, обеспечивающих такое интегрированное комплексное представление об эпигеноме при травматическом стрессе.

ПТСР — это психическое расстройство, для развития которого необходимо перенесение травматического события, выходящего за рамки повседневного опыта человека и вызывающего негативные эмоции и воспоминания, которые сохраняются достаточно продолжительное время. Травматическое событие определяется как угроза жизни или фактическая смерть (несчастный случай, физическое насилие, стихийное бедствие или военные действия), которое переживается непосредственно или опосредованно через семью или близких друзей [17, 18]. На вероятность развития ПТСР влияют как факторы внешней среды, так и наследственная составляющая (генетические и эпигенетические особенности организма) [19–21].

Проводимые в настоящее время клинические исследования, а также эксперименты с моделированием психогенной травмы на грызунах во многом способствуют пониманию роли эпигенетических изменений, происходящих в различных структурах мозга при психических расстройствах [3, 6, 8, 20–22]. Например, установлена связь между эпигенетическими модификациями с эндофенотипами ПТСР, которые в широком смысле можно разделить на нарушение регуляции памяти о страхе и реакцию на травмирующее событие [5, 23]. Обнаружено, что пренатальный стресс и жестокое обращение в детском возрасте приводит к эпигенетическим изменениям в клетках гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, что может выступать одним из механизмов формирования предрасположенности к развитию выраженных симптомов ПТСР [19, 24–28]. Гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая система — это главная нейроэндокринная система, ответственная за поддержание гомеостаза организма, адаптацию к факторам внешней среды и выживание во время стресса. Она состоит из паравентрикулярного ядра гипоталамуса, передней доли гипофиза и коры надпочечников, и ее активность во многом определяет индивидуальную психофизиологическую реакцию организма на воздействие психотравмирующего фактора, за которую отвечает наследственная компонента — геном и эпигеном. В связи с этим в настоящее время много публикаций посвящено исследованию регуляции (и в частности нарушению) активности генов при ПТСР, продукты которых отвечают за функционирование гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, а также генам различных нейромедиаторных систем [8, 28–31].

В обзоре кратко представлены современные данные о механизмах эпигенетической регуляции экспрессии генов (см. рис. 1) и об эпигенетических изменениях, которые могут обусловливать дифференциальную резистентность либо риск развития ПТСР (см. рис. 2), а также могут быть молекулярными посредниками, отвечающими за наследование потомками негативных последствий психогенной травмы, перенесенной родителями. Обсуждаются возможности применения и ограничения эпигенетической терапии ПТСР и связанных со стрессом расстройств.

 

Рис. 2. Эпигенетические изменения и их роль при посттравматическом стрессовом расстройстве (ПТСР). ↑ (↓) 5mC (5hmC) — повышение (снижение) количества 5-метилцитозина (5-гидроксиметилцитозина); H3, H4 — гистоны; XX, XY — самка, самец; MGEs — мобильные генетические элементы; VNTRs — минисателлитные ДНК с изменяющимся числом тандемных повторов; LINEs — длинные диспергированные элементы генома.

Fig. 2. Epigenetic changes and their role in post-traumatic stress disorder (PTSD). ↑ (↓) 5mC (5hmC), increase (decrease) in 5-methylcytosine (5-hydroxymethylcytosine) content; H3, H4, histones; XX, XY, female, male; MGEs, mobile genetic elements; VNTRs, minisatellite DNAs with variable numbers of tandem repeats; LINEs, long interspersed nuclear elements.

 

ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ПОСТТРАВМАТИЧЕСКИХ И СВЯЗАННЫХ СО СТРЕССОМ РАССТРОЙСТВ

Метилирование и гидроксиметилирование ДНК

Метилирование ДНК — эпигенетическая модификация, которая не изменяет нуклеотидную последовательность (генетический код), но является одним из основных участников регуляции экспрессии генов. У млекопитающих метилирование ДНК затрагивает цитозиновые основания (в положениях CpG, реже CpNpG). Ковалентное присоединение метильной группы (СН₃) к положению C5 цитозина с образованием 5-метилцитозина (5mC) осуществляют ферменты семейства ДНК-метилтрансфераз (DNMT1, DNMT3A и DNMT3B). DNMT3A и DNMT3B — основные ферменты метилирования de novo, тогда как DNMT1 отвечает за поддержание метилирования ДНК, действуя за счет своей способности распознавать с помощью белка UHRF1 (убиквитин-подобный белок, содержащий домены PHD и безымянный палец; Ubiquitin-like, containing PHD and RING finger domains) гемиметилированную ДНК на репликационных вилках [13, 32, 33]. ДНК-метилтрансфераза DNMT3L может рекрутировать и активировать DNMT3A на новосинтезированой нити ДНК, а также является ключевым кофактором для распознавания статуса метилирования лизина 4 гистона H3 [34]. DNMT2 (TRDMT1) обладает двойной субстратной специфичностью, имеет слабую ДНК-метилтрансферазную активность и отвечает за метилирование транспортной РНК аспарагиновой кислоты, в частности, по остатку цитозина-38 в петле антикодона [35, 36]. Предполагается, что DNMT2 может маркировать определенные последовательности в геноме путем связывания с ДНК через специфический мотив, распознающий мишень, для последующего метилирования de novo [37].

Деметилирование ДНК может происходить либо пассивно, когда во время репликации не происходит присоединения метильных групп на новосинтезированной нити, либо активно — с помощью ферментов ТЕТ из семейства «транслокаций десять-одиннадцать» (ten-eleven translocation) метилцитозин диоксигеназы. Ферменты TET1 и ТЕТ2 катализируют гидроксилирование 5mC до 5-гидроксиметилцитозина (5hmC) и могут дополнительно катализировать окисление 5hmC до 5-формилцитозина (5fC), а затем до 5-карбоксицитозина (5caC), которые удаляются с помощью эксцизионной репарации терминальными дезокситидилтрансферазами (tdT) и заменяются на цитозин [13]. Кроме того, обнаружено, что ДНК-связывающие белки (например, C/EBPa, Klf4 и Tfcp2l1) могут принимать участие в активном деметилировнии ДНК, либо рекрутировать DNMTs и TETs [38].

Метилирование ДНК вовлечено во все генетические процессы в клетке — транскрипцию, репликацию, репарацию, рекомбинацию, транспозицию генов, компактизацию хроматина. В основном данная модификация отвечает за инактивацию транскрипции. Репрессия генов происходит либо путем прямого ингибирования связывания факторов транскрипции (так как метильные группы нарушают ДНК-белковые взаимодействия, выступая в большую бороздку ДНК), либо за счет привлечения метил-цитозин-связывающих белков MBP (например, MeCP2), которые взаимодействуют с гистоновыми деацетилазами и другими факторами, участвующими в ремоделировании хроматина [33, 39–41]. В то же время описаны случаи, когда метилирование ДНК, наоборот, связано с транскрипционной активностью генов [42].

Метилирование/гидроксиметилирование ДНК может происходить в различные периоды онтогенеза [14, 43] и на любой стадии клеточного цикла [44], причем эта эпигенетическая модификация чувствительна к различным изменениям факторов внешней и внутренней среды и может отвечать за продолжительное поддержание измененной транскрипционной реакции клетки на внешние воздействия, в том числе связанные с травматическим стрессом [15, 45–47].

В настоящее время установлено, что травматический стресс приводит к долгосрочным изменениям полногеномного и локус(ген)-специфического метилирования ДНК и может наследоваться потомками [8, 48–51]. При этом генетически детерминированная возбудимость нервной системы — это фактор риска, определяющий специфику и временную динамику эпигенетических преобразований в нервных клетках при формировании травматической памяти (памяти о стрессе) [46]. Например, у высоковозбудимых крыс (для которых характерны более выраженные и длительные изменения поведения под влиянием стресса) уровень метилирования ДНК повышался в миндалевидном теле и сохранялся на протяжении 2 мес. после длительного эмоционально-болевого стрессорного воздействия [46]. В течение 2 мес. после стресса у таких животных уменьшалось и количество метил-CpG-связывающего белка МеСР2 в ядрах нейронов поля САЗ гиппокампа [52]. Снижение активности гена MECP2 также наблюдалось у людей, подвергшихся психогенной травме в детстве, и было связано с усилением симптомов ПТСР во взрослом возрасте, причем тяжесть симптомов зависела от пола (у женщин было выражено сильнее). В связи с этим высказывается предположение, что уровень экспрессии гена MECP2 является потенциальным фактором, вносящим вклад в патофизиологию ПТСР [22, 53, 54]. Кроме того, эти данные способствуют новым исследованиям молекулярных механизмов, лежащих в основе зависимого от пола риска развития и/или тяжести течения ПТСР.

Следует отметить, что с ПТСР ассоциировано глобальное увеличение метилирования ДНК в тысячах CpG сайтов, в том числе и в генах ДНК-метилтрансфераз (DNMT1, DNMT3A и DNMT3B) [55], поэтому данная эпигенетическая модификация может быть одним из полноценных биомаркеров ПТСР. Именно повышенную концентрацию 5mС и 5-hmС в нейронах связывают с формированием симптомов ПТСР — возникновением и угасанием специфических реакций страха (формированием памяти о страхе) [19, 56] (см. рис. 2). Причем обнаруженный в различных структурах головного мозга (в частности, в гиппокампе, коре больших полушарий, стволе и мозжечке) высокий уровень 5hmС и его стабильность позволяют предположить, что данная модификация — это не временный побочный продукт метаболизма 5mС, а полноценная эпигенетическая метка, связанная с активной транскрипцией нейрональных генов [48, 51, 57–60]. Например, обнаружена связь между острой реакцией на стресс и повышением полногеномного уровня 5hmС в гиппокампе в гене рецептора глюкокортикоидов (NR3C1) — одного из основных участников гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы [59]. Низкий уровень метилирования ДНК в экзоне 1F гена NR3C1 был выявлен в лейкоцитах периферической крови у ветеранов боевых действий с ПТСР [61]. Изменения метилирования ДНК в 29 локусах (в том числе в генах ZFP57, RNF39 и HIST1H2APS2) были обнаружены у лиц с симптомами ПТСР в период нахождения в зоне боевых действий [62]. Отклонения от условной нормы в уровне 5mC были выявлены в генах AFF3, APOB, BDNF, BRSK1, CFAP45, DOCK2, EDN2, FKBP5, GPX6, LCN8, MUC4, NFG, RNF39, RPL13P, TP73, UBCLP1, ZFP57 и в двух межгенных областях, причем уровень метилирования коррелировал со степенью тяжести симптомов ПТСР [21, 62–65]. Снижение метилирования ДНК обнаружено в гене NFATC1 у пациентов с симптомами ПТСР при разных видах травм («нападение», «шокирующий опыт», «узнавание о травме близкого человека», «внезапная неожиданная смерть») [66]. У военнослужащих с симптомами ПТСР после возвращения из зоны боевых действий в Сомали через 1–3 и 9–14 мес. в образцах слюны (в клетках буккального эпителия) были зарегистрированы изменения метилирования ДНК в генах пути метаболизма линолевой кислоты (ALOX15, JMJD7-PLA2G4B, PLA2G1B, PLA2G4A, PLA2G48), которая связана с памятью и нейровоспалением [67, 68], поэтому высказывается предположение об использовании данных о дифференциальном метилировании этих генов как возможных предикторов резистентности/чувствительности к ПТСР.

Установлено, что неблагоприятный жизненный опыт в детстве (в частности, пренатальный стресс, нарушение материнского вскармливания, материнской заботы) ассоциирован с метилированием гена NR3C1, нарушением его экспрессии и, как следствие, с формированием аномального поведения и тревогой [69]. Так, более высокие уровни метилирования NR3C1 наблюдались у подростков (в возрасте 10–19 лет), рожденных матерями, которые во время беременности подвергались насилию со стороны интимного партнера [51, 70, 71]. У детей женщин, подвергшихся сексуальному насилию и пыткам во время войны в Косово, помимо повышения уровня кортизола было выявлено увеличение метилирования ДНК не только в гене NR3C1, но и в генах рецептора серотонина (HTR3A) и нейротрофического фактора мозга (BNDF) [72]. Кроме того, изменения метилирования ДНК были обнаружены в гене FKBP5 (FK506-связывающий белок 51, участвующий в регуляции активности глюкокортикоидных рецепторов) в лейкоцитах и гиппокампе у лиц, перенесших жестокое обращение в детстве. Причем у таких людей уже во взрослом возрасте чаще регистрировали депрессивные расстройства, чем в контроле [73, 74]. Высокие уровни метилирования гена FKBP5 также описаны у потомков людей, переживших Холокост. При этом нарушение метилирования FKBP5 коррелировало с усилением симптомов тревоги [74]. У детей, матери которых испытали стресс, была выявлена ассоциация между показателями пренатального дистресса, уровнем кортизола и метилированием ДНК в генах, продукты которых участвуют в секреции и транспортировке, в ядерной передаче сигналов, апоптозе, внутриклеточном транспорте и передаче нейронных сигналов [75]. Так, у новорожденных в клетках буккального эпителия обнаружили изменения в дифференцированно метилированных областях генов YAP1, TOMM20, CSMD1, DAXX и ARL4D, а также на расстоянии 50 т.п.н. от генов SSBP4 и SCAMP1 [76].

Решающую роль в поведенческих реакциях на травматический стресс играют изменения метилирования ДНК в генах IEG (immediate-early genes). Например, в нейронах зубчатой извилины гиппокампа у крыс в экспериментах с принудительным плаванием было выявлено деметилирование CpG динуклеотидов, близких к гену c-Fos, промоторной области гена Egr-1 [77], а также изменение транскрипции генов Dusp1, Fos, Klf2, Ccn1 и Zfp36 [78]. У стрессированных животных обнаружено снижение полногеномного метилирования ДНК в гиппокампе, коре и периакведуктальном сером веществе (околоводопроводном сером веществе) [79]. Показано, что дезадаптация к травматическому стрессу связана с многочисленными изменениями в паттерне метилирования ДНК в гиппокампе крыс. Так, у крыс с ПТСР наблюдалось повышение уровня метилирования гена Dlgap2, которое приводило к снижению его экспрессии [80].

Необходимо подчеркнуть, что многие из описанных выше изменений метилирования ДНК при посттравматических и связанных со стрессом расстройствах были зарегистрированы не только в клетках головного мозга, но и в периферической крови [61, 62, 73, 75], а также в клетках буккального эпителия [76] и сперматозоидах [81]. Например, послеродовой травматический стресс у самцов мышей индуцировал изменение метилирования ДНК в гене Prkcc в гиппокампе и сперме травмированных особей, а также в гиппокампе их потомства [81].

Таким образом, травматический стресс приводит к системному (общеорганизменному), а не только к локальному (орган-специфическому) нарушению в эпигеноме клеток. В связи с этим лейкоциты периферической крови и/или клетки буккального эпителия могут служить в качестве доступного малоинвазивного биоматериала для эпигеномной диагностики, в частности количественной и качественной оценке метилирования ДНК как потенциального эпигенетического предиктора резистентности/чувствительности к ПТСР и связанных со стрессом растройств.

Модификации гистонов

Как всем хорошо известно, нуклеосома — структурная единица хроматина, отвечающая за его компактизацию и формирование хромосом в эукариотических клетках. Она состоит из 147 пар нуклеотидов, которые закручены вокруг октамера, образованного каноническими гистонами Н2А, Н2В, Н3 и Н4. Гистон Н1 — линкерный — связывается с внешней стороной нуклеосомы в районе тетрамера Н3-Н4 и фиксирует на ней нить ДНК. Гистоны — это непосредственные участники ядерных процессов: репликации, репарации и транскрипции (одного из этапов реализации закодированной генетической информации). Ковалентные посттрансляционные модификации гистонов (ацетилирование, метилирование, фосфорилирование, убиквитинирование, сумоилирование, АДФ-рибозилирование, дезаминирование, изомеризация пролина, кротонилирование лизина) — важные эпигенетические метки, которые влияют на структуру хроматина [13] (см. рис. 1).

Модификации гистонов участвуют в его ремоделировании — раскручивают либо скручивают, делают хроматин «открытым» либо «закрытым» и тем самым регулируют экспрессию генов, изменяя доступность ДНК для транскрипционного аппарата (для РНК-полимераз, факторов транскрипции) и различных молекул — участников других ядерных процессов. Совокупность модификаций аминокислот в гистонах — это так называемый гистоновый код клетки, который, в отличие от генетического, динамичен и может изменяться в зависимости от стадии клеточного цикла, степени дифференцированности, типа и возраста клетки, а также вследствие влияния различных факторов внешней и внутренней среды [82–84].

В установлении и поддержании гистонового кода принимает участие большое количество ферментов (см. рис. 1). Ацетилирование и деацетилирование гистонов происходит с помощью гистоновых ацетилтрансфераз (HATs) и деацетилаз (HDACs) соответственно [85–87]. Метилирование осуществляют гистоновые метилтрансферазы (HMTs) (например, лизин-метилтрансфераза KMT) [88, 89], а деметилирование — гистоновые деметилазы HDMs (например, KDM6B) [90]. Все четыре коровых гистона могут фосфорилироваться несколькими протеинкиназами и дефосфорилироваться фосфатазами. Фосфорилирование происходит на серине, треонине и тирозине и связано с реакцией клетки на повреждение ДНК (H2A.X S139 и H4S1), апоптозом (H2BS10, H2AXS139 и H3T45), регуляцией транскрипции (H3S10, H3S28, H2BS32, H3T6, H3T11, H3Y41, H2BS36, H2BY37, H4S1 и H4S47), клеточным делением — митозом (H3S10 и H3S28) и мейозом (H4S1 и H2BS10) [91]. Фосфорилирование вызывает изменения либо в архитектуре хроматина, либо в связывании или вытеснении белков-считывателей гистонов из хроматина. Лишь немногие метки фосфорилирования гистонов существуют изолированно. В большинстве случаев фосфорилирование функционирует в рамках комбинаций модификаций, которые действуют вместе, обеспечивая контекстно-зависимую координацию клеточных процессов. Например, фосфорилирование H3S10 усиливает последующее ацетилирование соседнего H3K14, а также влияет на связывание HP1 с метилированным H3K9 [92].

Убиквитинирование осуществляют убиквитин-лигазы (например, RING1B из группы Polycomb приводит к репрессии генов, а UbcH6 и RNF20/40 — к активации). За удаление убиквитина отвечают специфические пептидазы — деубиквитинирующие ферменты (DUBs) (например, USP16, 2A-DUB, USP21) [93]. Сумоилирование — ковалентное присоединение SUMO (Small Ubiquitin-like Modifier) к лизину на белках-мишенях — происходит с помощью SUMO-специфических протеаз (у человека их выявлено 9) [94]. АДФ-рибозилирование осуществляют поли(АДФ-рибоза)полимеразы (например, PARP1, PARP2), дезаминирование — дезаминазы, а изомеризация пролина происходит с помощью пептидил-пролил-цис/транс-изомераз (PPIases) [13]. За кротонилирование лизина (Kcr) (модификацию гистонов, открытую только в 2011 г.) [84] отвечают гистон-кротонилтрансферазы (HCTs) (например, Р300, MOF, GCN5), а обратную реакцию осуществляют гистон-декротонилазы, первыми из которых были описаны члены сиртуинового семейства гистондеацетилаз класса III (Sirt1, Sirt2 и Sirt3) [95].

Ацетилирование, фосфорилирование и убиквитинилирование, как правило, связаны с формированием неконденсированной структуры хроматина (эухроматина) и активацией экспрессии гена. Тогда как метилирование, сумоилирование, дезаминирование и изомеризация пролина, наоборот, приводят к ингибированию экспрессии [86, 96, 97]. Хотя следует отметить, что один и тот же тип модификации гистонов может по-разному влиять на транскрипционную активность генов в зависимости от того, какая область хроматина и аминокислота и в каком количестве подверглась модификации. Это, например, относится к убиквитинилированию [93, 98], кротонилированию [95], метилированию и фосфорилированию гистонов [83, 86, 99–101].

На сегодняшний день наибольшее количество публикаций посвящено ацетилированию [85, 102], фосфорилированию [100–102] и метилированию гистонов, происходящих по лизину (К), серину (S), треонину (Т) или тирозину (Y) [83, 86, 99], в том числе выявлена связь между изменениями в модификации гистонов и неврологическими и психическими нарушениями [1, 2, 103–105] (см. рис. 2). Опубликованы данные о влиянии острого и хронического стресса на некоторые посттрансляционные модификации гистонов в различных структурах головного мозга (преимущественно на животных моделях) [106–110], а также в периферических тканях (лейкоциты периферической крови и буккальный эпителий) [19, 111–113]. Например, у пациентов с ПТСР в мононуклеарных клетках периферической крови наблюдались повышенные уровни триметилирования гистона H3 (H3K4, H3K9 и H3K36), что указывает на изменение активности гистоновых метилтрансфераз и деметилаз при травматическом стрессе [55, 114]. Оказалось, что у мышей психосоциальный стресс изменял уровень лизин-специфической деметилазы LSD1 и ее нейрон-специфической сплайс-формы neuroLSD1. При этом особи с низким уровнем или отсутствием neuroLSD1 характеризовались низким тревожным поведением, и у них был изменен профиль метилирования и ацетилирования гистонов в нейронах гиппокампа [115]. У восприимчивых к стрессу мышей в медиальной префронтальной коре были обнаружены более низкие уровни кротонилирования гистонов одновременно с активацией Y-подобного белка хромодомена (CDYL). При этом сверхэкспрессия CDYL в прелимбической коре — субрегионе медиальной префронтальной коры — усиливала поведение социального избегания и ангедонию. Также у этих грызунов было выявлено кротонилирование гистонов и триметилирование H3K27 в промоторе гена нейропептида VGF, отвечающего за синаптическую пластичность [116].

Обнаружено, что длительный эмоционально-болевой стресс у крыс вызывает долговременную индукцию метилирования гистона Н3 по репрессорному сайту (Н3К9me3) в клетках базолатерального комплекса миндалевидного тела независимо от уровня возбудимости нервной системы. Однако при тех же условиях в клетках базолатерального комплекса миндалевидного тела происходило подавление метилирования гистона Н3 по активаторному сайту (Н3К4me2-3) у низковозбудимых животных, тогда как у высоковозбудимых крыс эпигеномная реакция на стресс была отсрочена и заключалась в активации метилирования Н3К4 с латентным периодом 2 мес. [46]. Кроме того, обнаружено, что генетические особенности возбудимости нервной системы особей обусловливают различия в уровнях ацетилирования гистона Н4 [110] и метилирования Н3 (H3K4me-di+tri) [107, 109] в гиппокампе, направление которых зависит от структурно-функциональных особенностей его полей и латерализации. Было показано также, что эмоционально-болевой стресс у крыс приводит к повышению уровня фосфорилирования гистона Н3Ser10 в нейронах ретикулярной формации среднего мозга у особей с низким порогом возбудимости [108] и в базолатеральной области миндалевидного тела у особей с высоким порогом возбудимости [106]. Предполагается, что данные модификации гистонов в комплексе с изменениями конформации хроматина обусловливают сохранение (поддержание) измененного паттерна экспрессии генов, лежащих в основе патогенеза ПСТР и связанных со стрессом растройств [110, 117].

Установлено, что стресс-индуцированные каскады (сигнальный путь ERK/MAPK, передача сигналов глюкокортикоидными гормонами и глутаматом) могут регулировать посттрансляционные модификации гистонов и конформационные изменения хроматина, влияющие на экспрессию генов, которые отвечают за нейропластичность, процессы обучения и память о стрессе [118, 119] (см. рис. 2). В модельных экспериментах на крысах было показано, что за координацию восстановления памяти в области CA1 гиппокампа и передней поясной извилине отвечает сочетанное действие эпигенетических модификаций — метилирования гистона H3K4me3 и гидроксиметилирования ДНК [120]. Выявлено, что восстановление воспоминаний о страхе связано с увеличением полногеномных уровней ацетилирования и фосфорилирования гистона H3 в области CA1 гиппокампа, а также ацетилирования гистона H3 в латеральной миндалине, что приводит к повышению транскрипционной активности генов в этих областях мозга. Например, гиперацетилирование гистонов в латеральной миндалине, индуцированное ингибиторами HDACs вскоре после восстановления воспоминаний о страхе, усиливает реконсолидацию сигнальных воспоминаний о страхе. Тогда как гипоацетилирование гистонов, индуцированное инфузией ингибиторов гистон-ацетилтрансфераз широкого спектра действия либо p300/CBP-специфичных, наоборот, вызывает противоположный эффект [5]. Кроме того, на важную роль ацетилирования гистонов во время и после травматического стресса указывают данные об использовании ингибиторов HDACs при терапии травм и лечении тревоги [121, 122].

Необходимо подчеркнуть, что эпигенетические механизмы задействованы в лабильности памяти (регулировании времени, прошедшего с первоначального момента формирования воспоминаний о психогенной травме), что актуально для ПТСР, поскольку для постановки данного диагноза требуется сохранение симптомов в течение как минимум 1 мес. Так, у крыс были выявлены различные паттерны метилирования гистонов в гиппокампе на 1-й день (острый), 7-й день (субхронический) и 21-й день (хронический) стресса. Причем триметилирование гистонов H3K9 и H3K27, связанное с подавлением транскрипции, увеличивалось при остром и субхроническом, но уменьшалось при хроническом стрессе. В то же время триметилирование H3K4, связанное с активацией транскрипции, не подвергалось влиянию острого и субхронического стресса, но значительно возрастало после хронического воздействия [55, 79]. Кроме того, было обнаружено изменение уровня гистоновых деацетилаз (HDAC-4, HDAC-5, HDAC-7 и HDAC-9) в разные моменты времени после стресса (в интервале от 2 до 8 ч после стресса), тогда как через 24 ч экспрессия мРНК всех четырех HDACs уже возвращалась к исходному уровню [79]. При этом в гиппокампе через 2 ч после стресса снижалось количество ацетилированного гистона Н3 в гене Bdnf, отвечающем за стимулирование и поддержание развития нейронов и играющем важную роль в формировании долговременной памяти. Было показано также, что свежие воспоминания о травме ассоциированы с более сильным ацетилированием H3K9/14 и отсутствием связывания HDAC2 с промотором гена Fos, который участвует в активации нейронов и важен в обучении исчезновению страха. В то же время отдаленные воспоминания успешно подавляются ингибиторами HDAC2, и тем самым запускается экспрессия генов, связанных с нейропластичностью [5]. Таким образом, представленные данные указывают на то, что модификации гистонов — это биомаркеры травматического события, они могут быть потенциальными мишенями для терапии ПТСР и других психических нарушений.

Некодирующие РНК

Некодирующие РНК (нкРНК) представляют собой большой сегмент транскриптома. Они не транслируются с образованием функциональных пептидов, но являются ключевым звеном во многих биологических процессах и играют существенную роль в патогенезе различных болезней. Одни нкРНК эволюционно консервативны, другие видоспецифичны. Есть нкРНК, которые поддерживаются на протяжении всей жизни клеток, независимо от их типа, тогда как другие — «временные», которые синтезируются в определенные периоды онтогенеза, стадии дифференцировки и/или в ответ на внешнее или внутреннее воздействие [123–125].

Среди нкРНК выделяют несколько классов. Это транспортные РНК (tRNA), рибосомные РНК (rRNA), малые (small RNA, sRNA, короче 200 п.н.) и длинные нкРНК (lncRNA, более 200 п.н.). К малым нкРНК относятся малые ядерные РНК (snRNA), малые ядрышковые РНК (snoRNA), антисмысловые РНК (aRNA), микроРНК (miRNA), малые интерферирующие РНК (siRNA), пиРНК (piwiRNA, piRNA), внеклеточные РНК (exRNA) [125]. Длинные нкРНК подразделяют на несколько подклассов: межгенные (intergenic lncRNAs); интронные (intronic lncRNAs); энхансерные (enhancer lncRNAs); промоторные (promoter lncRNAs); природные антисмысловые/смысловые (natural antisense/sense lncRNAs); lncRNAs, заканчивающиеся малыми ядрышковыми РНК (small nucleolar RNA-ended lncRNAs, sno-lncRNAs); двунаправленные (bidirectional lncRNAs) и не-поли(А) (non-poly(A) lncRNAs) [126]. К длинным нкРНК, например, принадлежат Xist, HOTAIR, Evf, Air, PINK, TUG1, CTN. В настоящее время описано более 30 000 длинных нкРНК, и, скорее всего, в ближайшие годы, благодаря современным технологиям, будут выявлены еще тысячи новых нкРНК [126].

Опубликованные на сегодняшний день данные указывают на то, что нкРНК действуют как ключевые регуляторы важнейших клеточных функций, включая пролиферацию, дифференцировку, апоптоз, миграцию и инвазию, регулируя уровень экспрессии генов-мишеней с помощью эпигеномных, транскрипционных или пост-транскрипционных механизмов. Например, чтобы регулировать активность генов, микроРНК связываются с 3ʹ-нетранслируемой областью или другими нетранслируемыми областями своих мРНК-мишеней [127], а антисмысловые РНК связываются с комплементарными участками мРНК [128].

Способность РНК формировать вторичные структуры — это ключевой механизм действия нкРНК в контроле образования и распространения доменов гетерохроматина как в соседних (цис-действие), так и в удаленных (транс-действие) геномных локусах. Именно вторичные структуры позволяют нкРНК действовать как каркас для сборки модификаторов хроматина в определенной области генома [125]. Установлена роль lncRNA в ремоделировании хроматина, в геномном импринтинге, в инактивации Х-хромосомы. Они могут регулировать локус-специфические модификации гистонов и метилирование ДНК, привлекая отвечающие за эти процессы ферменты [129]. Например, lncRNA HOTAIR (антисмысловая РНК транскрипта гена HOX) регулирует кластер генов HoxD (в транс-положении) и кластер генов HoxC (в цис-положении) [130]. HOTAIR служит каркасом как минимум для двух комплексов модификации гистонов. Так, 5ʹ-домен HOTAIR связывает репрессивный комплекс Polycomb 2 (PRC2), тогда как 3ʹ-домен HOTAIR взаимодействует с комплексом LSD1/CoREST/REST, привлекая ферменты для модификации гистонов, в частности для метилирования гистона H3K27 и деметилирования гистона H3K4 [131, 132]. Три других lncRNAs — Xist и его ортологи Jpx и Ftx — входят в состав комплекса Xic, отвечающего за инактивацию Х-хромосомы. Xist привлекает ремоделирующие элементы хроматина и репрессорные комплексы, обеспечивая гетерохроматинизацию X-хромосомы и сайленсинг генов, локализованных в ней (то есть имеет место регуляция в цис-положении) [126, 133, 134].

В последнее время много внимания уделяют изучению роли нкРНК (особенно микроРНК и длинных нкРНК) в развитии и функционировании мозга, а также в патогенезе психических расстройств: шизофрении, биполярных расстройств и депрессивных состояний [1, 2, 124, 135], а также ПТСР [136–139]. Клинические и экспериментальные данные указывают на существенный вклад фермента DICER1 в молекулярные механизмы патогенеза ПТСР и депрессии, поскольку он необходим для созревания микроРНК, которые регулируют посттранскрипционную экспрессию генов в мозге и других тканях и участвуют в синаптическом созревании и пластичности [140]. Так, например, у мышей удаление Dicer1 вызывало уменьшение количества нескольких микроРНК в переднем мозге и приводило к улучшению обучения и силы памяти [139]. У пациентов с ПТСР и депрессией снижение экспрессии DICER1 было выявлено в крови, и оно коррелировало со снижением уровня miR-3130-5p [140]. У таких пациентов также снижалось количество длинной антисмысловой нкРНК VLDLR-AS1 [135]. Помимо этого, у ветеранов боевых действий с ПТСР снижалась экспрессия 183 микроРНК [141, 142] и повышалась экспрессия четырех микроРНК (miR-19a-3p, mir-101-3p, miR-20b-5p и miR-20a-5p) [142]. Причем у таких пациентов снижение уровней miR-125a, miR-181c и miR-193a-5p [114, 143] и длинной нкРНК LINC00926 [136] коррелировало с иммунологическими изменениями.

Необходимо подчеркнуть, что при травматическом стрессе количественные изменения нкРНК регистрируются не только в разных отделах головного мозга [144–146], но также в крови [147] и сперме [148]. Так, не только у мышей, перенесших травматический стресс в раннем возрасте, нарушалась экспрессия малых нкРНК в головном мозге, но и у их потомства изменялись поведенческие и метаболические реакции. Причем инъекция РНК спермы травмированных самцов в оплодотворенные ооциты интактных самок воспроизводила поведенческие и метаболические изменения у полученного потомства [148]. На животных моделях ПТСР было показано, что изменение количества miR-34a в миндалевидном теле ассоциировано с консолидацией памяти о страхе [149], miR-92 в гиппокампе — с контекстуальной памятью о страхе [150], miR-132 в гиппокампе — с формированием следовой памяти о страхе [151], miR-128b в инфралимбической префронтальной коре — с памятью об исчезновении страха [152] (см. рис. 2). Установлено, что miR-33 регулирует ГАМКергические механизмы формирования страха, зависящего от состояния [153]. У крыс, подвергшихся 3-дневной иммобилизации за хвост и сеансам шока, было обнаружено повышение экспрессии девяти микроРНК (miR-142-5p, miR-19b, miR-1928, miR-223-3p, miR-322, miR-324, miR-421-3p, miR-463 и miR-674) не только в миндалевидном теле, но и в сыворотке крови. Причем miR-142-5p, miR-19b, miR-1928, miR-223-3p и miR-421-3p, как оказалось, играли существеную роль в регуляции экспрессии генов, связанных с задержкой реакции на стресс и/или преувеличенным страхом [154]. Поэтому авторами было высказано предположение о возможном использовании этих микроРНК в качестве потенциальных биомаркеров ПТСР.

Кроме того, последнее время поднимают вопрос о возможном использовании нкРНК в качестве молекулярных биомаркеров чувствительности/резистентности к травматическому стрессу, поскольку в экспериментах на крысах было обнаружено, что до травмирующего события уровень четырех микроРНК (miR-4-2-5p, miR-27a-3p, miR-30e-5p, miR-362-3p) был значительно снижен у особей, которые позже стали чувствительны к стрессу. При этом у резистентных животных после воздействия стресса снижался уровень других четырех микроРНК (miR-139-5p, miR-28-3p, miR-326-3p, miR-99b-5p) [139]. Также в качестве возможного фактора риска развития ПТСР у женщин рассматривается длинная нкРНК lincRNA AC068718.1 [138].

Следует отметить, что большинство исследований роли нкРНК при ПТСР проводят на животных, восприимчивых к травматическому стрессу, поэтому существует острая потребность в новых исследованиях, включающих как межвидовые подходы, так и модели для изучения траекторий изменений, характерных для индивидов с восприимчивыми и устойчивыми к ПТСР фенотипами [139, 155]. Таким образом, опубликованные на сегодняшний день данные о тканеспецифической, а также зависимой от различных состояний экспрессии генов, которую регулируют/модулируют нкРНК, позволяют предположить, что малые нкРНК и длинные нкРНК могут быть потенциальными биомаркерами изменений, вызванных внешними или внутренними факторами, что дает основание для их клинического использования в качестве диагностических и/или терапевтических средств [129, 156].

Ремоделирование хроматина

Ремоделирование хроматина — еще один из уровней эпигенетической регуляции экспрессии генов. Это процесс динамической модификации архитектуры хроматина, а именно перемещения (скольжения) нуклеосом по ДНК, что приводит к изменению их положения и локальной плотности друг относительно друга. Межнуклеосомные взаимодействия определяют степень компактизации хроматина, что, в свою очередь, облегчает либо затрудняет доступ различных регуляторных белков к ДНК [157, 158]. В процесс ремоделирования хроматина вовлечены метилирование ДНК, ковалентные модификации гистонов, вариантные (альтернативные) формы гистонов (то есть гистоны с заменами некоторых аминокислот), а также гистоновые шапероны и АТФ-зависимые белковые комплексы (ремоделеры), которые обеспечивают транслокацию, сборку или удаление нуклеосом [159] (см. рис. 1).

Метилирование ДНК и определенные модификации гистонов запускают процесс ремоделирования хроматина. Гистновые шапероны — белки, регулирующие посттрансляционные модификации, транспорт и хранение гистонов, обеспечивают процессы сборки и разборки нуклеосом, замещая гистоны новыми каноническими или вариантными формами. Основные гистоновые шапероны включают HIRA (histone cell cycle regulator), DAXX (death-associated protein), NAP (nucleosome assembly protein), комплекс CAF1 (chromatin assembly factor-1) и ASF1 (anti-silencing function 1A factor) [160]. Установлено, что ASF1, HIRA и DAXX, связанные с включением вариантного гистона H3.3, участвуют в нейрогенезе [161], а белки семейства NAP участвуют в сперматогенезе, нейрональной дифференцировке и формировании долговременной памяти, что указывает на важность этого семейства белков в онтогенезе [162].

Большинство комплексов ремоделирования хроматина состоит из нескольких субъединиц, которые обладают АТФазной активностью и отвечают за привлечение этих комплексов к тем или иным областям-мишеням на хромосоме. Комплексы ремоделирования хроматина делят на четыре подсемейства в зависимости от доменной организации их АТФ-гидролизующей субъединицы: ISWI (imitation switch), SWI/SNF (switch/sucrose non-fermentable), INO80 (inositol) и NuRD/Mi2/CHD (chromodomain helicase DNA-binding) [158, 160, 163]. Ремоделеры ISWI организуют нуклеосомы в правильную форму пучка и создают равные расстояния между нуклеосомами, отвечают за поддержание структуры хроматина более высокого порядка. Эти ремоделеры необходимы для развития мозга [164]. Ремоделеры SWI/SNF и INO80 разупорядочивают нуклеосомы, принимают участие в репарации ДНК, пролиферации и дифференцировке клеток [165]. Комплексы ремоделирования NuRD/Mi–2/CHD опосредуют репрессию транскрипции, необходимы для поддержания плюрипотентности эмбриональных стволовых клеток [166], для дифференцировки нейронов и глии, а также развития неокортекса [163, 167].

Нарушения в процессе ремоделирования хроматина приводят к изменениям экспрессии генов, что может быть причиной развития различных патологий, в частности онкологических [158, 165] и нейродегенеративных заболеваний, атаксии, эпилептической энцефалопатии, шизофрении, отклонений в умственном развития [2, 160, 164, 168]. Результаты доклинических и клинических исследований указывают на важную роль АТФ-зависимых комплексов ремоделирования хроматина во взаимодействии факторов окружающей среды и генома, генетической (эпигенетической) уязвимости организма к травматическим событиям (психогенному стрессу). АТФ-зависимые комплексы ремоделирования хроматина играют решающую роль в нейрональном развитии, консолидации памяти, в этиологии психических расстройств, в том числе депрессивноподобного поведения и ПТСР [169] (см. рис. 2). При этом эпигенетические изменения ассоциированы с такими психическими явлениями, как беспомощность, вынужденное подчинение и низкое положение в иерархии [169–171]. В этой связи особый интерес вызывают исследования роли ремоделирования хроматина в индуцируемом глюкокортикоидами повышении экспрессии гена р11 в коре головного мозга, например, при ПТСР [172, 173].

В модельных экспериментах ПТСР на крысах было обнаружено, что у низковозбудимых особей длительный эмоционально-болевой стресс приводит в нейронах поля СА3 гиппокампа к динамичному изменению площади, занимаемой гетерохроматином. Так, по сравнению с контролем этот параметр снижался уже через 24 ч после воздействия, сохранялся на этом уровне как минимум до 2 мес., а через 6 мес. повышался [20, 117]. Оказалось, что низкая возбудимость нервной системы опосредует устойчивую модификацию активности генома пирамидных нейронов, связанных с деконденсацией хроматина (С-гетерохроматина), последовательным снижением содержания MeCP2, повышением ацетилирования гистона Н4 в гиппокампе и со стабильным увеличением уровня ацетилирования гистонов Н3 и Н4 в сенсомоторной зоне коры головного мозга. Тогда как высокая возбудимость нервной системы опосредует не связанное с общим изменением конденсации хроматина последовательное повышение фосфорилирования и метилирования гистона Н3 в гиппокампе и разнонаправленное изменение ацетилирования гистонов Н3 и Н4 и фосфорилирования гистона Н3 в сенсомоторной зоне коры головного мозга [47]. Кроме того, общие универсальные постстрессорные цитогенетические изменения были выявлены в развивающемся и зрелом гиппокампе высоко- и низковозбудимых крыс. Так, было обнаружено снижение площади хромоцентров, свидетельствующее об уменьшении общего количества конденсированного хроматина, а также изменение хромоцентральной организации нейрональных ядер в результате агрегации или дезагрегации хромоцентров. При этом формируемые у эмбрионов постстрессорные структурные изменения хроматина сохранялись в постнатальном периоде развития, и они не были связаны с линейными особенностями возбудимости нервной системы крыс [47].

В настоящее время молекулярные механизмы нарушений в ремоделировании хроматина для большинства патологий плохо изучены, либо еще не исследованы. Только для некоторых видов опухолевых новообразований и нейродегенеративных болезней установлено, что основная причина нарушений экспрессии генов — это мутации в генах, кодирующих субъединицы ремоделеров [164, 165, 167, 168]. Однако нельзя исключать существования отклонений в эпигенетической регуляции этих генов как одной из возможных причин изменений в ремоделировании хроматина при травматическом стрессе. Это предположение требует проведения соответствующих исследований.

Пространственная (трехмерная) архитектура генома

Внутри интерфазного ядра нуклеосомные нити хроматина сворачиваются в упорядоченные и гибкие структуры, включающие хроматиновые волокна, петли хроматина, топологически ассоциированные домены (TADs), хромосомные компартменты (А/В, то есть активные/неактивные, эухроматические/гетерохроматические домены), хромосомные территории, а также LLPS (Liquid-Liquid Phase Separation). Эти отдельные структуры и мотивы создают динамичную трехмерную (3D) архитектуру генома — высший уровень эпигеномной скоординированной регуляции пространственной и временной экспрессии генов, формируют так называемый регуляторный ландшафт хроматина (см. рис. 1), который уникален для каждого типа клеток и тканей, зависит от стадии развития и/или условий окружающей среды [174, 175]. Поэтому состояние хроматина высшего порядка играет важную роль в эмбриогенезе [176], дифференцировке стволовых клеток, в поддержании идентичности и функционировании клеток, перепрограммировании соматических клеток [160, 177], а также в развитии различных патологических процессов, поскольку хромосомные взаимодействия и топологические изменения в ответ на внешнее воздействие и/или внутренние стимулы влияют на экспрессию генов [175, 178].

Необходимо отметить, что особую роль в формировании интерфазного хроматина играют повторяющиеся последовательности ДНК. Предполагают, что за первый уровень пространственной организации хроматина отвечают сателлитные ДНК (тандемно повторяющиеся последовательности ДНК), за второй уровень — ретротранспозоны, а за третий уровень — последовательности MAR/SAR (Matrix/Scaffold Attachment Region), осуществляющие прикрепление к ядерной мембране и ядерному матриксу и участвующие в метаболизме [20, 179–182].

Последние данные указывают на то, что в 3D-организации генома принимает участие белок SATB1, который связывается с АТ-богатыми последовательностями ДНК. Недостаток SATB1 может приводить к нарушению регуляции транскрипции генов, а также к изменениям 3D-архитектуры генома на нескольких уровнях, включая петли, TADs и компартменты. Важно отметить, что SATB1 по всему геному колокализуется с CTCF (CCCTC-binding factor, транскрипционный репрессор) и ограничивает топологию хроматина вокруг сайтов связывания CTCF [183]. Обнаружено, что подавление репрессора транскрипции SATB1 приводит к дерепрессии микроРНК миР-22-3p, что снижает экспрессию гена GBA (Glucosylceramidase Beta 1), тем самым ухудшая лизосомальную и митохондриальную функцию. Например, нарушение регуляции пути SATB1-MIR22-GBA в дофаминергических нейронах наблюдается у пациентов с болезнью Паркинсона, а также при старении [184]. Не исключено, что подобные изменения могут происходить и в результате травматического стресса, индуцируя нейровоспаление и реактивный глиоз в нейронах [185, 186].

Современные технические достижения и методы исследования (например, Hi-C, ChIA-PET, HiChIP, SPRITE, GAM) позволили установить, что TADs достаточно консервативны у разных видов млекопитающих и в разных типах клеток. Внутри одного и того же TADs образуются петли хроматина, соответствующие локусам, взаимодействующим чаще, чем соседние сайты. Гены в TADs проявляют корегуляторные свойства, в пределах одного и того же TADs происходят взаимодействия между энхансерами и промоторами [187, 188]. Обнаружено, что фазовое разделение (биомолекулярная конденсация, основа безмембранных компартментов) в ядре служит ключевым аспектом в управлении структурой и ремоделированием хроматина высшего порядка, с ним связаны такие клеточные процессы как деление клеток, репарация ДНК, инативация Х-хромосомы [174]. Аномальное разделение фаз в ядре приводит к неправильному сворачиванию петель хроматина, нарушению границ TADs, что в свою очередь изменяет экспрессию генов и служит одним из молекулярных механизмов возникающих отклонений в эмбриональном развитии, кардиопатии, воспалении, а также некоторых видов опухолей [175, 178, 189].

В настоящее время пока нет публикаций, посвященных исследованию пространственной организации хроматина при травматическом стрессе, но уже получены 3D-карты контактов хроматина в клетках головного мозга (нейронах и глии) во время кортикогенеза [190] и при шизофрении [1, 191]. Поскольку большинство нейронов сохраняются на протяжении всей жизни животного, то возникает актуальный вопрос, насколько устойчиво или чувствительно в них состояние 3D-хроматина (а значит, и ландшафт нейрональной транскрипции) в норме и при стрессе. Думаем, что в ближайшем будущем ответ на него будет получен.

ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКОЙ ТЕРАПИИ ПТСР

Последствия перенесенного травматического стресса могут проявиться на фоне общего благополучия человека внезапно, даже через продолжительное время, причем со временем ухудшение состояния может становиться все более выраженным и часто сочетается с депрессивными расстройствами, суицидальным поведением и расстройствами, связанными с употреблением психоактивных веществ. В настоящее время лечение ПТСР заключается в использовании селективных ингибиторов обратного захвата серотонина (например, сертралина, пароксетина, флуоксетина и венлафаксина) и норадреналина, антагонистов альфа-1-адренергических рецепторов [192–195], гидрокортизона, 4-метилендиоксиметамфетамина, псилоцибина, кетамина, а также психотерапии в форме пролонгированной экспозиционной терапии [196–200], методов сенсорной стимуляции и адаптивного биоуправления с обратной связью [201]. К сожалению, эти терапевтические подходы помогают лишь небольшой части пациентов, обращающихся за лечением, и часто демонстрируют отсутствие ответа и высокий уровень рецидивов, и очень немногие достигают устойчивой ремиссии симптомов. В связи с этим перед клиницистами остро стоит вопрос о разработке новых эффективных методов лечения, коррекции и профилактики ПТСР, а также о поиске способов и веществ, предотвращающих наследование биологических последствий перенесенной психогенной травмы.

В модельных экспериментах на крысах было показано, что в качестве потенциальных корректоров обсессивно-компульсивных расстройств на фоне ПТСР можно применять антагонисты OX1R рецепторов орексина А [202]. Помимо этого предлагают терапевтические протоколы с использованием интраназального введения 1-дезамино 8-Д аргинин-вазопрессина для коррекции психоэмоционального статуса потомства, рожденного стрессированными матерями [203]. Для коррекции симптомов ПТСР также изучаются подходы с использованием мелатонина [204, 205], клозапина и амбруцина [206], применение прекондиционирования, в частности с использованием севофлюрана [207], а также сеансов стресс-музыки [208] и гипоксического прекондиционирования [209, 210].

Активно исследуют возможность использования модулирующей микробиомной терапии ПТСР, поскольку установлена взаимосвязь между специфическими бактериальными особенностями и риском развития ПТСР [211, 212]. Например, обнаружено, что бактерии семейств Porphyromonadaceae, Veillonellaceae, родов Dorea, Gordonibacter, Sellimonas, Ruminococcusgnavus, Butyrivibrio, Eggerthella и порядка Clostridiales снижают риск развития ПТСР, в то время как присутствие классов Bacilli, родов Eubacterium fissicatena group, Haemophilus, Phascolarctobacterium и Ruminococcaceae, наоборот, повышает вероятность развития ПТСР [211]. Также показано влияние экзогенного воздействия бактериальными липополисахаридами в раннем постнатальном онтогенезе на характер стресс-индуцированных изменений поведения и на особенности экспрессии генов субъединиц ионотропных рецепторов глутамата в гиппокампе после психогенной травмы, перенесенной во взрослом возрасте [213].

Еще одним из перспективных подходов при лечении травматического стресса и его отдаленных последствий может быть использование веществ, корректирующих эпигеном [9–12, 214, 215], так как эпигенетические изменения, как было представлено выше, ассоциированы с нарушениями, вызванными стрессом. Поскольку этиопатогенез ПТСР во многом зависит от обучения и памяти, то многообещающими для его успешной терапии и профилактики могут быть эпигенетические маркеры (мишени) генов, отвечающих за приобретение, обновление и стирание памяти о страхе, участвующих в механизмах, связанных с реконсолидацией памяти [30, 216, 217], генов дофаминергической [218–220] и глутаматергической [221–223] нейромедиаторных систем, а также генов вазопрессина и его рецепторов [224–227].

Следует отметить, что развитию симптомов ПТСР может способствовать митохондриальная дисфункция, которая возникает в результате хронического окислительного стресса и связана с изменением передачи сигналов нейромедиаторов, воспалительной реакцией и дисбалансом гомеостаза активных форм кислорода [228]. Поэтому для нормализации гипотоламо-гипофизарно-надпочечниковой системы при ПТСР перспективной мишенью для эпигеномной терапии могут оказаться гены, участвующие в окислительном стрессе [229–231] и воспалении [232]. В этом случае одним из потенциальных веществ для эпигеномной терапии может оказаться лактоферрин — многофункциональный гликопротеин из семейства трансферринов, который обладает ДНКазной, РНКазной, АТФазной, фосфатазной и амилазной ферментативной активностью. Он характеризуется антибактериальным, антипаразитарным, противовирусным, антиаллергическим, противоопухолевым и иммуномодулирующим действием. Лактоферрин принимает участие в клеточном росте и дифференцировке, может стабилизировать HIF-1α/2α и активировать различные сигнальные пути. Как транскрипционный фактор он может регулировать экспрессию генов, отвечающих за выживание клетки при гипоксии. Как показывают экспериментальные данные, лактоферрин способен модулировать активность генов через эпигенетические механизмы, в частности изменяя паттерн метилирования ДНК и влияя на структуру хроматина [233, 234].

Эпигенетическая терапия может заключаться в изменении (возврате к условной норме) уровня и паттерна метилирования ДНК, модификаций гистонов, а также в использовании нкРНК для модуляции экспрессии генов-кандидатов [12, 30, 235, 236] (рис. 3, табл. 1).

 

Рис. 3. Основные группы соединений и немедикаментозных подходов, которые можно применять при эпигенетической терапии посттравматического стрессового расстройства. 5mC — 5-метилцитозин; 5hmC — 5-гидроксиметилцитозин; нкРНК — некодирующие РНК; MGEs — мобильные генетические элементы; ↑, ↓ — повышение, понижение уровня вещества (модификаций) или вероятность события (процесса); inh — ингибиторы DNMTs — ДНК-метилтрансфераз, TETs — белки из семейства «транслокаций десять-одиннадцать» метилцитозин диоксигеназы, HATs — гистоновых ацетилтрансфераз, HDACs — гистоновых деацетилаз, HMTs — гистоновых метилтрансфераз, HDMs — гистоновых деметилаз; ACET+ — диета, обогащенная ацетатом; methDNA — метилированная ДНК; SAM — S-аденозил-метионин; SAH — S-аденозил-L-гомоцистеин; ssOligo — однонитевые олигонуклеотиды.

Fig. 3. Main groups of compounds and non-pharmacological approaches applicable in epigenetic therapy for post-traumatic stress disorder. 5mC, 5-methylcytosine; 5hmC, 5-hydroxymethylcytosine; ncRNAs, non-coding RNAs; MGEs, mobile genetic elements; ↑, ↓, increase, decrease in the level of a substance (modification) or the likelihood of an event (process); inh, inhibitors of: DNMTs, DNA methyltransferases; TETs, ten–eleven translocation methylcytosine dioxygenase family proteins; HATs, histone acetyltransferases; HDACs, histone deacetylases; HMTs, histone methyltransferases; HDMs, histone demethylases; ACET+, acetate-enriched diet; methDNA, methylated DNA; SAM, S-adenosylmethionine; SAH, S-adenosyl-L-homocysteine; ssOligo, single-stranded oligonucleotides.

 

Таблица 1. Возможные фармакологические и нефармакологические подходы для эпигенетической терапии посттравматического стрессового расстройства

Table 1. Potential pharmacological and non-pharmacological approaches for epigenetic therapy of post-traumatic stress disorder

Группа (эпигенетический уровень воздействия)	Подгруппа (механизм действия / эпигенетический эффект)	Примеры соединений и нефармакологических подходов, модулирующих эпигеном
Модуляторы метилирования ДНК	Увеличение поступления метильной группы	Бетаин, витамин B12, креатин, фолиевая кислота
	Деметилирование ДНК	Гемцитабин
	Ингибиторы ДНК-деметилаз	5-Азацитидин, 5-аза-2-дезоксицитидин, зебуларин
	Ингибиторы ДНК-метилтрансфераз	Продукты реакции: метилированная ДНК и S-аденозил-L-гомоцистеин.
		Аналоги кофакторов S-аденозил-L-метионина (SAM) и S-аденозил-L-гомоцистеина, способные связываться с ферментом, но не являющиеся донорами метильной группы (синефунгин, 5ʹ-метилтио-5ʹ-дезоксиаденозин, 5ʹ-амино-5ʹ-дезоксиаденозин).
		Механизм-зависимые ингибиторы: ингибиторы нуклеозидной природы, аналоги 2ʹ-дезоксицитидина [5-азацитидин (видаза), 5-аза-2ʹ-дезоксицитидин (децитабин), 5,6-дигидро-5-аза-2ʹ-дезоксицитидин, 5-фтор-2ʹ-дезоксицитидин, 1-β-2ʹ-дезокси-D-рибофуранозил-2-пиримидинон (зебуларин) и 4ʹ-тио- 2ʹ-дезоксицитидин].
		Специфические однонитевые олигонуклеотиды и ДНК-дуплексы (аналоги природных субстратов DNMTs).
		Низкомолекулярные соединения ненуклеозидной природы: пищевые полифенолы (галлат эпигаллокатехина, EGCG), бисульфидные производные L-бромтирозина (псаммаплины), производное L-триптофана RG108, производные 4-аминобензойной кислоты (прокаин, прокаинамид), митрамицин А и ДНК-интеркаляторы (доксорубицин и эхиномицин).
		Бисапразин, псаммаплин А и псаммаплин G
	Изменение профиля метилирования и/или гидроксиметилирования ДНК (молекулярный механизм их действия пока неясен)	Аминобензамид, вальпроевая кислота, гидралазин, лактоферрин, 3,4-метилендиоксиметамфетамин, преднизолон, прокаинамид. Опиоиды (апоморфин гидрохлорид гемигидрат, диацетилморфин, морфин, фентанил, трамадол).
		Улучшение качества жизни
Модуляторы посттрансляционных модификаций гистонов	Ингибиторы гистоновых деацетилаз (HDACs) (увеличение уровня ацетилирования гистонов)	Бисапразин, бутират натрия, N-гидрокси-N-фенилоктандиамид, MS-275, псаммаплин А, псаммаплин G, трихостатин А
	Изменение ацетилирования гистонов	Диета обогащенная ацетатом
	Ингибиторы гистоновых ацетилтрансфераз (HATs)	Анакардиновая кислота, гарцинол, куркумин
	Ингибиторы гистоновых метилтрансфераз и гистоновых деметилаз	Севофлуран, 3-деазанепланоцина А, EPZ-6438, siRNA
Изменение уровней и профилей нкРНК (микроРНК, длинные нкРНК, антисмысловые РНК)	Ингибироваие lincRNA02023	Электроакупунктура
	Соединения и/или немедикаментозная терапия, влияющие на экспрессию нкРНК	Умеренная физическая активность (бег и езда на велосипеде).
		Флуоксетин
	Соединения, влияющие на экспрессию DICER1	Метотрексат, сурвивин
Ремоделирование хроматина, 3D-архитектура генома	Вещества, влияющие на комплексы ремоделирования хроматина	Гидралазин
	Изменение степени компактизации хроматина	Лактоферрин
	Соединения, влияющие на подвижность мобильных генетических элементов	Соединнния, влияющие на метилирование ДНК и активность нкРНК
Другие потенциальные соединения для эпигенетической терапии: окситоцин, вазопрессин, гамма-интерферон, серотонинергические галлюциногены – психоделики (диэтиламид лизергиновой кислоты, псилоцибин), триптамины, ингибиторы обратного захвата серотонина

 

К веществам, модулирующим метилирование ДНК, можно отнести те, что увеличивают поступление метильной группы (например, фолиевая кислота, бетаин, витамин B₁₂, креатин) [237–239], отвечают за деметилирование ДНК (например, гемцитабин) [240, 241], ингибируют ДНК-деметилазы и ДНК-метилтрансферазы (например, 5-азацитидин, 5-аза-2-дезоксицитидин, зебуларин) [242–244]. Среди ингибиторов ДНК-метилтрансфераз выделяют 5 групп [244]. Первая группа — это продукты реакции (метилированная ДНК и S-аденозил-L-гомоцистеин). Вторая группа — аналоги кофакторов S-аденозил-L-метионина и S-аденозил-L-гомоцистеина, способные связываться с ферментом, но не являющиеся донорами метильной группы (например, синефунгин, 5ʹ-метилтио-5ʹ-дезоксиаденозин, 5ʹ-амино-5ʹ-дезоксиаденозин). Третья группа (механизм-зависимые ингибиторы) — ингибиторы нуклеозидной природы, аналоги 2ʹ-дезоксицитидина [5-азацитидин (видаза), 5-аза-2ʹ-дезоксицитидин (децитабин), 5,6-дигидро-5-аза-2ʹ-дезоксицитидин, 5-фтор-2ʹ-дезоксицитидин, 1-β-2ʹ-дезокси-D-рибофуранозил-2-пиримидинон (зебуларин) и 4ʹ-тио-2ʹ-дезоксицитидин]. Четвертая группа — специфические однонитевые олигонуклеотиды и ДНК-дуплексы (аналоги природных субстратов DNMTs, обладающие бóльшим сродством к этим ферментам, чем природные субстраты). Пятая группа — низкомолекулярные соединения ненуклеозидной природы. Например, пищевые полифенолы (в частности, галлат эпигаллокатехина — EGCG), бисульфидные производные L-бромтирозина (псаммаплины), производное L-триптофана RG108, производные 4-аминобензойной кислоты (прокаин, прокаинамид), митрамицин А и ДНК-интеркаляторы (доксорубицин и эхиномицин) [244].

Некоторые используемые в клинической практике препараты, такие как гидралазин [245, 246], прокаинамид [247, 248], вальпроевая кислота [249], 3-аминобензамид [250, 251], преднизолон [69] также влияют на профили метилирования ДНК и могут быть потенциальными кандидатами для эпигеномной терапии и коррекции ПТСР. Кроме того, для эпигеномной терапии ПТСР в определенных дозах могут быть использованы некоторые опиоиды (например, апоморфин гидрохлорид гемигидрат, диацетилморфин, морфин, фентанил, трамадол), которые влияют на профиль метилирования и гидроксиметилирования ДНК таких генов, как CALY, CBFB, GRIN1, HCN1, HMOX2, MPO, RUNX1 и SOD2 [194, 252]. Списки известных на сегодняшний день лекарственных соединений, обладающих эпигенетической активностью, хорошо представлены в обзорах [9, 10, 214, 215, 244, 253].

Следует отметить, что статус метилирования ДНК и его изменения в генах гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы (CRHR1, FKBP5 и NR3C1) могут предсказать успешность психотерапии при ПТСР. Например, была показана высокая эффективность психотерапии с применением 3,4-метилендиоксиметамфетамина для лечения пациентов с тяжелыми формами ПТСР [254, 255]. Положительный эффект применения S-аденозилметионина (SAM) и ДНК-метилтрансфераз наблюдали при терапии нейродегенерации, когнитивных нарушений, коморбидной депрессии, нарушений памяти, деменции, утомляемости, а также болевых симптомов и постконтузионных последствий боевых и черепно-мозговых травм [77, 215, 256]. Эффективным подходом при лечении ПТСР также может оказаться использование ингибиторов ДНК-метилтрансфераз, так как они оказывают влияние на долговременную реконсолидацию воспоминаний о страхе, модулируя экспрессию генов Npas4 и Fos в области CA1 гиппокампа [5].

В последние годы особое внимание уделяют исследованию гистоновых деацетилаз (HDACs), так как нарушение их активности связано с тяжелыми и потенциально смертельными болезнями [12, 257]. Ингибирование их активности представляет собой многообещающий терапевтический подход и перспективную стратегию разработки новых методов лечения ряда заболеваний, в том числе ПТСР [105, 258]. Например, такие соединения, как бисапразин, псаммаплин А и псаммаплин G способны ингибировать не только DNMTs, но и HDACs [215, 244]. В экспериментах на крысах было показано, что воздействие трихостатином А ингибирует активность HDACs, тем самым увеличивает ацетилирование гистонов в миндалевидном теле, что изменяет степень этанол-индуцированной толерантности, тревоги и употребления этанола животными, а лечение бутиратом натрия блокирует развитие и проявление этанол-индуцированной поведенческой сенсибилизации у мышей. Склонность к алкоголизму у мышей также снижают такие ингибиторы HDACs, как N-гидрокси-N-фенилоктандиамид и MS-275 [259]. Так, при шизофрении ингибиторы HDACs оказались эффективны в сочетании с атипичными нейролептиками, при этом снижалась транскрипция метаботропного рецептора глутамата 2 (mGlu2) и повышалась экспрессия рецептора серотонина 5-HT(2A) в коре лобной доли головного мозга [260]. Кроме того, обнаружено, что добавление в пищу ацетата приводит к снижению экспрессии гена HDAC2 и гена IL-1β в гиппокампе, уменьшает нейровоспаление и уровень адреналина в моче, и как следствие, облегчает побочные реакции на травматический стресс [261].

Еще один класс эпигенетических препаратов — ингибиторы гистоновых ацетилтрансфераз (HATs). Уже описано несколько небольших молекул, которые обладают такой активностью. Это такие соединения, как анакардиновая кислота, гарцинол и куркумин [12]. На стадии исследований находятся, но еще не одобрены FDA (Управление по контролю за продуктами и лекарствами), потенциальные ингибиторы гистоновых метилтрансфераз (EZH2 и DOT1L) и гистоновых деметилаз [12]. Показано, что в предотвращении развития ПТСР, улучшении когнитивных функций и синаптической пластичности может сыграть важную роль профилактическое применение севофлурана, который, как показали экспериментальные данные на крысах, ингибирует апоптоз нейронов за счет регулирования фосфорилирования пути AKT/mTOR и восстанавливает экспрессию гистоновой метилтрансферазы EZH2, отвечающей за триметилирование лизина 27 гистона H3 [207]. В то же время использование ингибиторов EZH2 (например, 3-деазанепланоцина А, EPZ-6438, siRNA) может оказывать влияние на индуцированный гипоксией окислительный стресс и улучшать ангиогенез за счет ингибирования FoxO3a-зависимой продукции активных форм кислорода через сигнальный путь PI3K/Akt. В связи с этим EZH2 — ценная молекулярная мишень для эпигенетической терапии [262], как, возможно, и другие гистоновые метилтрансферазы (G9a, PRMT5, DOT1L, EHMT2) [263, 264].

Необходимо подчеркнуть, что на нейропластичность через эпигенетические механизмы влияют не только экзогенные биомолекулы (фармакологические препараты), но и другие факторы, в частности электроакупунктура и улучшение качества жизни (см. рис. 3). Так, благодаря изменению качества жизни подвергшихся травматическому стрессу особей, можно улучшить их когнитивное и психическое состояние, скорректировать социальное поведение, память о перенесенной травме, снизить уровень тревоги и даже предотвратить передачу негативных эффектов ПТСР потомству [265]. Причем улучшение качества жизни (так называемая «обогащенная окружающая среда», environmental enrichment), как показали экспериментальные данные на грызунах, оказывает влияние на cAMP/p38 MAP-киназа-зависимый сигнальный каскад [266], изменяет эпигенетический статус нейронов, в частности метилирование ДНК в гиппокампе [267]. Кроме того, на крысиной модели ПТСР было установлено, что электроакупунктура ингибирует длинную нкРНК lincRNA02023. Эта нкРНК «спасает» связывание WWP2 (NEDD4-like E3 ubiquitin-protein ligase) с PTEN (Phosphatase and Tensin homolog), тем самым способствует убиквитинированию и деградации PTEN, а также активирует сигнальный путь PI3K/Akt и индуцирует экспрессию BDNF (Brain-Derived Neurotrophic Factor) в микроглии [268].

Перспективное направление эпигенетической таргетной терапии и коррекции ПТСР и депрессий — поиск некодирующих микроРНК [5, 12, 156, 269, 270], длинных нкРНК и транспозонов, которые участвуют в нейрогенезе и тонкой настройке дифференцировки структур головного мозга, и дисбаланс в активации которых приводит к эпигенетической дисрегуляции нейромедиаторных систем и метаболических путей [271, 272]. Cледующий этап таких исследований — поиск препаратов, способных корректировать уровень и паттерн некодирующих РНК, ассоциированных с развитием ПТСР и других психических и неврологических расстройств, например, веществ, влияющих на экспрессию DICER1 [140] и/или паттерн микроРНК [273].

С помощью интегративного биоинформационного анализа уже выявлено несколько генов-мишеней дисрегуляции микроРНК и ключевых молекулярных путей, связанных с развитием нейродегенеративных расстройств при ПТСР. В частности, установлена роль в нейродегенерации некоторых членов семейства miR-17 и miR-15/107, а также сигнального пути APP/CaN/NFATs, генов DNMT3a и KMT2D, кодирующих ферменты ДНК- и гистон-метилтрансфераз [274]. В другой работе показано, что антисмысловая РНК гена BDNF способствует подавлению его экспрессии, тем самым приводит к нейротоксичности, апоптозу и снижению жизнеспособности нейронов [275]. Помимо этого обнаружено, что микроРНК могут быть использованы как перспективные биомолекулы для эпигеномной терапии ПТСР как у особей, подвергшихся травматическому стрессу, так и у их потомства с целью предотвращения или снижения симптоматики негативных последствий перенесенной психогенной травмы [276]. Причем в зависимости от пола родителя на изменение профиля микроРНК (например, miR-19b, miR-455, miR-133a, тРНК-Gly и тРНК-Pro) в гаметах способна оказывать влияние умеренная физическая активность (в частности бег и езда на велосипеде) [277]. Установлено, что на уровень микроРНК может влиять введение антидепрессанта флуоксетина, который снижает уровень тревоги и чувства страха. Оказалось, что флуоксетин повышает уровни miR-16, мишенью которой служит мРНК гена транспортера серотонина (5-HTT) в серотонинергических нейронах, что снижает экспрессию 5-HTT [236].

Следует отметить, что серотонинергические галлюциногены — психоделики (например, диэтиламид лизергиновой кислоты и псилоцибин) [278], триптамины [279] и ингибиторы обратного захвата серотонина [192] показали себя многообещающими при лечении депрессий и ПТСР. Не исключено, что молекулярный механизм их влияния на серотониновую нейромодуляцию основан на эпигенетических изменениях. Возможно, что на эпигенетических изменениях (например, генов OXT-R, V1a-R и V1b-R) [280, 281] основаны терапевтические эффекты воздействия окситоцина, вазопрессина и гамма-интерферона, которые снижают уровень тревоги, улучшают социальное поведение не только у особей, подвергшихся хроническому социальному стрессу, но и у их потомства в первом и втором поколениях [282–285]. Эти предположения требуют дальнейших исследований. Помимо вышеупомянутых терапевтических подходов в эпигеномной терапии неврологических и психических нарушений также могут быть использованы вещества, влияющие на комплексы ремоделирования хроматина, например гидралазин, который регулирует экспрессию генов ARID1A и ARID2 — двух членов семейства комплексов ремоделирования хроматина SWI/SNF [286]. В настоящее время исследования в данном направлении только начинаются.

Несмотря на перечисленные выше возможные способы эпигенетической/эпигеномной терапии травматического стресса, к сожалению, они имеют свои ограничения, о которых упоминается в ряде работ [9, 215, 244, 252]. В отличие от генетических меток/изменений (SNPs и мутаций — генных, хромосомных, геномных), эпигенетические изменения и эпимутации нестабильны, они динамичны и часто (на определенных участках генома) достаточно чувствительны и лабильны в ответ на воздействия любой природы. С одной стороны, это огромный плюс, открывающий возможности для молекулярной коррекции патологии. Но с другой стороны, это создает определенные сложности для терапии и профилактики конкретного заболевания, поскольку формирование эпигенетических изменений и возникновение эпимутаций достаточно сложный, многоэтапный и многоуровневый процесс, в который вовлечено большое количество различных биомолекул (как можно видеть из схемы, представленной на рис. 1, эксперментальных и клинических данных, описанных в предыдущих разделах обзора), на активность которых могут оказывать влияние различные внешние факторы, и в частности лекарственные препараты [9, 10, 214]. Например, в базе данных DrugBank утвержденные и исследуемые препараты включают 122 соединения, которые способны взаимодействовать с 68 эпигенетическими ферментами из 275 известных к настоящему времени [9].

Любое воздействие, приводящее к какому-либо изменению на одном из эпигенетических уровней автоматически запускает цепь молекулярных событий, изменяющих эпигенетический ландшафт клетки, ее транскриптом и, как следствие, метаболом клетки (не только в конкретном органе/ткани, но и в организме в целом). Причем фенотипические последствия (на широком «организменном» уровне) подобных воздействий в большинстве случаев пока еще мало изучены, что также на современном этапе ограничивает возможность применения эпигенетических модуляторов. С использованием биоинформационных систем (искусственного интеллекта) есть возможность теоретического предсказания области генома, а также характера/направленности эпигеномных изменений, однако во что именно это фактически может быть реализовано с фенотипической точки зрения, предсказать пока еще не реально, так как каждый организм индивидуален не только на уровне генома, но и эпигенома. Причем каждый индивид [особенно это касается высших (социальных) млекопитающих, в частности, человека] существует в своем окружающем мире (внешнем и внутреннем), который ежедневно оказывает воздействие на эпигеном.

Во всем мире активно разрабатывают и предлагают различные вещества и методические подходы для эпигеномной терапии (в том числе представленные выше) различных заболеваний, а также для комплексного лечения различных опухолевых новобразований, заболеваний нервной системы, атопического дерматита, семейной амилоидной полинейропатии, макулярной дегенерации сетчатки глаза и др. [214, 215, 244]. Однако во всех этих случаях исследователи сталкиваются с общими проблемами. Так, в настоящее время еще не описаны локус(ген)-специфические эпигенетические модификаторы, которые изменяли бы экспрессию только интересующего гена, и мы пока не научились управлять сайт-специфическими эпигенетическими механизмами, поэтому какое-либо воздействие с целью изменить эпимутацию в определенном локусе(гене) будет обязательно приводить к эпигенетическим изменениям в других областях генома (и пока еще непредсказуемо, в каких, и, возможно, с негативными побочными эффектами).

Многие из эпигенетических препаратов химически нестабильны, не обладают избирательностью (то есть могут влиять на широкий спектр молекулярных мишеней) и часто характеризуются цитостатическими и/или цитотоксическими эффектами, угнетением кроветворения. В частности это относиться к ингибиторам ДНК-метилтрансфераз (5-аза-цитидину и 5-аза-2ʹ-дезоксицитидину), которые помимо активации генов-супрессоров опухолевого роста могут вызвать нежелательную активацию некоторых других генов (например, протоонкогенов, генов, ассоциированных с инвазией и метастазированием, импринтированных генов и других), а также способствовать гипометилированию повторяющихся нуклеотидных последовательностей в ДНК и увеличению генетической нестабильности [244]. Кроме того, доклинические исследования показывают, что, например, ингибиторы гистоновых деацетилаз, ДНК-метилтрансфераз, бромодоменов и белков TETs влияют на экспрессию генов медиаторов нейроиммунного воспаления (цитокинов и проапоптотических факторов) и нейротрофинов (BDNF и NGF), ионных каналов, ионотропных рецепторов, а также патопротеинов (β-амилоида, тау-белка и α-синуклеина) [215]. Вальпроевая кислота может приводить к нарушениям развития скелета, изотретионин — к серьезным порокам развития, гиперлипидемии, проблемам со зрением, алопеции и психическим расстройствам, тамоксифен — к инактивации эстрогенных реакций, нейролептики — к гипергликемии, диабету и когнитивным нарушениям, метилфенидат и ингибиторы обратного захвата серотонина (SSRIs) — к изменениям в поведении, а ретиноевая кислота может действовать прямо и опосредованно, как предполагается, на более чем 500 генов [214].

В связи с этим препараты, которые глобально (полногеномно) влияют на метилирование ДНК и модификации гистонов, скорее всего, не будут «жизнеспособными» терапевтическими подходами, поскольку их применение может приводить к эпигенетическим изменениям не только в гене(генах) интереса, но и во многих других генах, в том числе не связанных с патологией, на которую направлена конкретная эпигенетическая терапия. Возможно, что в недалеком будущем воздействие на сайт-специфическое метилирование ДНК может оказаться ценным путем для разработки методов лечения ПТСР, например методических подходов на основе технологий редактирования генов CRISPRon, CRISPRoff, CRISPR/Cas и CRISPR-dCas9 [215, 287, 288].

В настоящий момент наиболее перспективный вариант эпигенетической терапии — это использование препаратов на основе нкРНК (в частности, антисмысловых РНК). Так, например, в модельных экспериментах у мышей с ПТСР была использована стратегия РНК-терапии на основе липидных наночастиц для коррекции таламической каналопатии Kv3.2 с помощью метоксилированной siRNA, воздействующей на каталитическую субъединицу протеинфосфатазы 6 (PPP6C) и восстанавливающей таламокортикальные цепи, связанные с угасанием воспоминаний о страхе и аномалиями поведения [289]. Хотя и здесь также существует опасность развития побочных эффектов. Например, длинная нкРНК VLDLR-AS1 (антисмысловая РНК к гену рецептора липопротеина очень низкой плотности), снижение уровня которой было обнаружено у пациентов с черепно-мозговой травмой и депрессией [135], может модифицировать сигнальный путь Wnt/β-катенина опосредованной малой ГТФазой, а также эпителиально-мезенхимальный переход в опухолевых клетках, может взаимодействовать с hsa-miR-600 при регуляци экспрессии генов GOLGA3, DUSP14 и UCHL1 или взаимодействовать с hsa-miR-1224-3p при модуляции экспрессии генов GOLGA3, ZNF219, RNF141 и CALU при раковой кахексии [290].

Таким образом, учитывая сказанное выше, для успешного внедрения эпигенетической терапии ПТСР и связанных со стрессом расстройств в практику необходимо решить несколько основных задач.

1. Важно установить эпигенетические маркеры генов-мишеней, ассоциированных с конкретными фенотипическими изменениями (степенью выраженности и тяжестью симптомов, поведением, периодом, прошедшим с момента травматического события и так далее), и понять их роль в регуляции экспрессии гена/генов интереса (то есть характер взаимодействия геном–эпигеном).
2. Определить, какие из обнаруженных эпигенетических изменений оказывают негативное, а какие — позитивное влияние на состояние пациента.
3. Выяснить, с чем связаны выявленные эпигенетические изменения у пациентов с ПТСР, а именно являются ли они собственно результатом перенесенной психогенной травмы, или это маркеры защитной реакции организма, или же результат проводимой терапии.
4. Провести поиск потенциальных эпигеномных модуляторов ПТСР и проверить их на наличие возможных побочных эффектов (тератогенность, цитостатичность, цитотоксичность и др.).
5. При таргетной эпигенетичекой терапии ПТСР (как и в случае других патологий) необходимо добиться высокой селективности эпигенетических препаратов к их молекулярным мишеням, добиться адресной доставки этих соединений к конкретному органу/ткани (например, с использованием вирусных векторов, наночастиц, антител, ПЭГилированных иммунолипосом с вовлечением соответсвующих рецепторов [215, 253]) и устранить возможность их нецелевой доставки и побочных эффектов.
6. Отработать возможность дифференциальной терапии в зависимости от фазы и/или тяжести заболевания. В случае ПТСР необходимо выявить эпигенетические препараты с хорошей проницаемостью гематоэнцефалического и/или гематоплацентарного барьера, чтобы достичь дифференциальной специфичности действия на уровне нейрональных и/или глиальных популяций клеток, а также клеток зародышевого пути (гамет) для профилактики возможного эпигенетического наследования негативных последствий ПТСР.

Безусловно, многое из вышеперечисленного сходно с проблемами, с которыми сталкиваются специалисты при внедрении эпигенетической терапии в клиническую практику при лечении многих других заболеваний, в частности при разработке персонализированной терапии опухолевых новообразовний. По-видимому, для решения перечисленных задач в этих случаях и методические подходы могут быть аналогичными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

До сих пор остается много нерешенных вопросов, касающихся причинно-следственной связи между выявляемыми эпигенетическими изменениями и патогенезом заболевания (в том числе травматическим стрессом), а также реакцией организма на терапевтическое воздействие. В большинстве клинических случаев остается неясным, с чем связаны регистрируемые эпигенетические изменения, были ли они до стресса, являются последствиями перенесенной психогенной травмы или же возникли в результате терапевтического воздействия, так как многие лекарственные препараты обладают токсичностью и способны воздействовать на эпигенетические пути. Кроме того, может существовать несколько эпигенетических биомаркеров, участвующих в ответе на лечение у пациентов, страдающих ПТСР, но из-за различных методических протоколов, используемых в таких исследованиях, трудно сделать выводы относительно того, как и какие эпигенетические биомаркеры связаны с конкретными терапевтическими (психотерапевтическими или фармакотерапевтическими) подходами.

Динамический характер эпигенетических изменений и эпимутаций служит положительным моментом для разработки новых подходов для лечения, коррекции и профилактики психических расстройств, в том числе ПТСР. Для успешного применения эпигенетической терапии важно дифференцировать эпигенетические/эпигеномные изменения, связанные с патогенными и защитными реакциями организма, поэтому требуется более глубокое понимание молекулярных механизмов, лежащих в основе патогенеза травматического стресса и наследования его биологических последствий. В настоящее время клиническое использование ряда препаратов для эпигенетической терапии нейродегенеративных и психических расстройств ограничено в связи с их умеренной селективностью, отсутствием сайт-специфического (таргетного) действия, плохой биодоступностью, токсичностью, склонностью к приобретаемой резистентности, возможностью их использования друг с другом или с другими классами лекарственных средств. Эпигенетические препараты в целом можно рассматривать как симптоматические лекарственные соединения широкого спектра действия. Кроме того, в качестве дополнительной терапии при коррекции и профилактике ПТСР и связанных со стрессом расстройств представляется целесообразным использование комплексных и сбалансированных физиологических модуляторов эпигенома, таких как умеренная физическая активность, определенные нутриенты и низкокалорийная диета.

Для ответов на все перечисленные выше вопросы желательно проведение клинических исследований, включающих помимо подробного анамнеза, неврологических и психологических тестов, также получение доступного (малоинвазивного) биоматериала: крови и мочи для клинического и биохимического анализов, а также лейкоцитов периферической крови, клеток буккального эпителия и спермы для генетического и эпигенетического анализов. Пролонгированное ведение и неоднократный сбор биоматериала от таких пациентов (и по возможности, от их потомков) не только в острый период, но и на стадии ремиссии позволят получить информацию об эффективных терапевтических подходах, помогут выявить чувствительные и резистентные фенотипы (генотипы и эпигенотипы), будут способствовать выявлению эпигенетических маркеров, отвечающих за резистентность/чувствительность к ПТСР и наследование биологических эффектов травматического стресса. Результаты исследований эпигенетических механизмов патогенеза ПТСР в дальнейшем могут быть полезны при разработке эффективных терапевтических подходов для профилактики и лечения ПТСР.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. И.О. Сучкова — подбор литературы, обобщение, анализ и интерпретация литературных данных, написание и корректировка рукописи, создание рисунков и таблицы, оформление рукописи по требованиям журнала; Е.Л. Паткин — разработка концепции, подбор литературы, обобщение, анализ и интерпретация литературных данных, написание и корректировка рукописи; С.Г. Цикунов, Г.А. Софронов — анализ и интерпретация литературных данных, корректировка рукописи. Все авторы одобрили рукопись (версию для публикации), а также согласились нести ответственность за все аспекты настоящей работы, гарантируя надлежащее рассмотрение и решение вопросов, связанных с точностью и добросовестностью любой ее части.

Источник финансирования. Работа выполнена в рамках государственных заданий Министерства науки и высшего образования РФ № FGWG-2023-0001.

Раскрытие интересов. Авторы заявляют об отсутствии отношений, деятельности и интересов за последние три года, связанных с третьими лицами (коммерческими и некоммерческими организациями), интересы которых могут быть затронуты содержанием статьи.

Оригинальность. При создании настоящей работы авторы не использовали ранее опубликованные сведения (текст, иллюстрации, данные).

Доступ к данным. Все данные, полученные в настоящем исследовании, доступны в статье.

Генеративный искусственный интеллект. При создании настоящей статьи технологии генеративного искусственного интеллекта не использовали.

Рассмотрение и рецензирование. Настоящая работа подана в журнал в инициативном порядке и рассмотрена по обычной процедуре. В рецензировании участвовали внешний и внутренний рецензенты.

ADDITIONAL INFORMATION

Author contributions: I.O. Suchkova: investigation, data curation, formal analysis, writing—original draft, writing—review & editing, visualization, project administration; E.L. Patkin: conceptualization, investigation, formal analysis, writing—original draft, writing—review & editing; S.G. Tsikunov, G.A. Sofronov: formal analysis, writing—review & editing. All authors approved the version of the manuscript to be published, and agreed to be accountable for all aspects of the work, ensuring that questions related to the accuracy or integrity of any part of it are appropriately reviewed and resolved.

Funding sources: This study was part of state assignment No. FGWG-2023-0001 of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation.

Disclosure of interests: The authors have no relationships, activities, or interests over the past three years related to for-profit or not-for-profit third parties whose interests may be affected by the content of the article.

Statement of originality: The authors did not use any previously published information (text, illustrations, or data) in this work.

Data availability statement: All data generated during this study are included in this article.

Generative AI: Generative AI technologies were not used for this article creation.

Provenance and peer-review: This paper was submitted unsolicited and reviewed following the standard procedure. The review process involved an external reviewer and an in-house reviewer.

Об авторах

Ирина Олеговна Сучкова

Институт экспериментальной медицины

Автор, ответственный за переписку.
Email: irsuchkova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2127-0459
SPIN-код: 4155-7314

канд. биол. наук

Россия, Санкт-Петербург

Евгений Львович Паткин

Институт экспериментальной медицины

Email: elp44@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6292-4167
SPIN-код: 4929-4630

д-р биол. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Сергей Георгиевич Цикунов

Институт экспериментальной медицины

Email: secikunov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7097-1940
SPIN-код: 7771-1940

д-р мед. наук, профессор

Россия, Санкт-Петербург

Генрих Александрович Софронов

Институт экспериментальной медицины; Военно-медицинская академия имени С.М. Кирова

Email: gasofronov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8587-1328
SPIN-код: 7334-4881

д-р мед. наук, профессор, академик РАН

Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы