Как детский стресс может оставить молекулярную память в мозге

Эксперимент на мышах показал, как ранний стресс может «подготовить» нейроны к более сильной реакции спустя месяцы

У раннего стресса есть странное свойство: его последствия могут проявиться не сразу.

Человек способен годами жить без очевидного психического расстройства, а затем особенно тяжело реагировать на серьезные жизненные события. Эпидемиологические исследования давно связывают неблагоприятный опыт детства с повышенным риском тревожных, депрессивных и других психических расстройств во взрослом возрасте.

Но между этими двумя наблюдениями оставался важный вопрос: каким образом пережитый в детстве стресс может сохранять свое биологическое влияние так долго?

Новое исследование в журнале Neuron предлагает конкретный механизм. Не изменение последовательности ДНК, а изменение того, насколько доступными для работы остаются определенные участки генома.

Травма не переписывает ДНК — она может изменить способ ее «упаковки»

Почти каждая клетка организма содержит один и тот же геном. Но клетки используют его по-разному: нейрону нужны одни гены, клетке печени — другие.

Один из механизмов такого управления связан с хроматином — комплексом ДНК и белков, прежде всего гистонов. ДНК намотана на гистоны примерно так, как длинная нить наматывается на катушки.

Если определенный участок хроматина плотно упакован, молекулярным механизмам клетки сложнее получить доступ к находящимся там генам. Если упаковка становится более открытой, генетическая информация оказывается доступнее для считывания.

Именно здесь происходит ключевой момент.

Исследователи предположили, что ранний стресс может не заставлять определенные гены постоянно работать активнее. Вместо этого он способен изменить хроматин так, чтобы при следующем стрессе эти участки генома легче включались в ответ.

Такой эффект называют эпигенетическим праймингом — своеобразной молекулярной «преднастройкой» клетки.

Ученые искали след стресса в дофаминовой системе мозга

Работа была проведена на мышах. Исследователи сосредоточились на вентральной области покрышки — VTA, небольшой области среднего мозга, содержащей множество дофаминовых нейронов.

Дофамин часто называют «гормоном удовольствия», но это слишком грубое упрощение. Дофаминовая система участвует в обучении, мотивации и оценке значимости происходящего и реагирует не только на награду, но и на неблагоприятные события.

Работа VTA уже связывалась с тем, насколько организм оказывается уязвим или устойчив к стрессу.

Мышей подвергали модели раннего стресса с 10-го по 17-й день жизни: детенышей ежедневно на несколько часов отделяли от матери и одновременно уменьшали количество материала для гнезда. Затем животных выращивали в обычных условиях до взрослого возраста.

После этого исследователи анализировали хроматин VTA с помощью масс-спектрометрии.

Картина оказалась шире одной-единственной молекулы. Ранний стресс изменял целый набор химических модификаций гистонов, причем значительная часть обнаруженных изменений была связана с более «разрешающим» — открытым, активным или подготовленным — состоянием хроматина.

Особое внимание привлекла метка H3K4me1.

H3K4me1 работает скорее как закладка, чем как выключатель

Название H3K4me1 выглядит пугающе, но смысл относительно прост.

H3 — один из белков-гистонов, вокруг которых организована ДНК. K4 обозначает конкретную аминокислоту — лизин в четвертой позиции. «me1» означает, что к ней присоединена одна метильная группа.

Получается H3K4me1 — монометилирование четвертого лизина гистона H3.

Эта метка часто встречается в участках генома, которые находятся в доступном или «подготовленном» состоянии, в частности в регуляторных областях, способных влиять на активность генов.

Важно не представлять H3K4me1 как кнопку, которая просто включает ген.

Полезнее представить закладку в книге. Книга может оставаться закрытой, но нужная страница уже отмечена. Когда возникает соответствующий сигнал, найти и использовать ее становится легче.

Исследователи обнаружили, что после раннего стресса количество H3K4me1 в VTA оставалось повышенным даже во взрослом возрасте.

Но оставался главный вопрос: действительно ли эта метка участвует в повышенной чувствительности к стрессу — или просто сопровождает ее?

SETD7 позволил проверить причинную связь

Ученые обнаружили еще одну важную деталь. После раннего стресса в VTA повышалась экспрессия Setd7, а в ядрах дофаминовых нейронов уже к 21-му дню жизни было больше белка SETD7.

SETD7 — фермент, способный добавлять ту самую метильную группу и увеличивать H3K4me1.

Это дало исследователям возможность провести гораздо более убедительный эксперимент, чем простое сравнение стрессированных и контрольных животных.

Они искусственно повысили активность Setd7 в VTA молодых мышей, которые не подвергались раннему стрессу.

Уровень H3K4me1 вырос примерно на 34%.

Самое интересное произошло позже.

Без последующего стресса повышенная экспрессия Setd7 сама по себе существенно не меняла базовую возбудимость дофаминовых нейронов. Но когда взрослые животные сталкивались со стрессом, их нейроны реагировали значительно сильнее.

То же происходило на нескольких уровнях одновременно: менялась реакция генов, усиливалась физиологическая реактивность дофаминовых нейронов и возрастала поведенческая чувствительность к стрессу.

Самый важный результат — изменения могли оставаться скрытыми

Именно здесь исследование меняет интуитивное представление о том, что значит «след» ранней травмы.

Можно представить, что тяжелый опыт повреждает мозг и после этого он постоянно работает неправильно.

Полученные данные предлагают другую модель.

По крайней мере в изученной системе у мышей ранний стресс мог создавать не постоянную гиперактивность, а скрытую готовность реагировать сильнее при следующем неблагоприятном событии.

SETD7 был особенно показателен: его искусственное повышение не сделало дофаминовые нейроны заметно более возбудимыми в спокойных условиях. Разница проявилась после нового стресса.

То есть молекулярная память могла существовать как потенциал реакции.

Это и есть эпигенетический прайминг: прошлый опыт меняет не обязательно текущее состояние клетки, а диапазон ее будущего ответа.

Когда SETD7 уменьшили, эффект раннего стресса ослаб

Чтобы приблизиться к причинности, одного эксперимента с повышением SETD7 недостаточно. Нужно проверить обратное: что произойдет, если после раннего стресса уменьшить его активность?

Исследователи сделали и это.

Они снизили экспрессию Setd7 в VTA с помощью вирусного вектора с короткой шпилечной РНК. Уровень H3K4me1 уменьшился примерно на 37%.

После нового стресса во взрослом возрасте у животных с ранним стрессом и обычным уровнем SETD7 дофаминовые нейроны становились более возбудимыми. Снижение Setd7 предотвращало эту гиперреактивность.

Похожий эффект наблюдался в поведении.

После взрослого стресса 85% мышей с ранним стрессом в контрольной группе были классифицированы исследователями как чувствительные к социальному стрессу. После снижения Setd7 — 33%.

Животные также сохраняли больше социального и исследовательского поведения.

Именно сочетание двух экспериментов делает работу особенно интересной: искусственное увеличение SETD7 частично воспроизводило последствия раннего стресса, а снижение SETD7 ослабляло их.

Это гораздо сильнее поддерживает причинную роль механизма, чем простое обнаружение эпигенетической метки у стрессированных животных.

«Молекулярный шрам» — хорошая метафора, но ее легко понять неправильно

Авторы и публикации об исследовании используют образ физического или молекулярного «шрама» после ранней травмы. Он хорошо передает идею длительного биологического следа, но его нельзя воспринимать буквально.

Шрам звучит как необратимое повреждение.

Исследование этого не показывает.

Напротив, эксперимент со снижением Setd7 демонстрирует, что по крайней мере часть обнаруженного механизма у мышей поддается изменению.

Кроме того, ранний стресс влиял не только на H3K4me1. Масс-спектрометрия обнаружила изменения множества гистоновых модификаций. Сами авторы подчеркивают, что SETD7/H3K4me1, вероятно, представляет лишь один компонент значительно более сложной перестройки.

Поэтому вывод «ученые нашли молекулу детской травмы» был бы неверным.

Они обнаружили один механизм, способный связывать ранний стресс с будущей повышенной стрессовой реактивностью в конкретной мозговой системе мышей.

Почему дофамин здесь не означает просто «удовольствие»

Еще одна важная деталь исследования — выбор VTA.

Дофаминовые нейроны этой области помогают мозгу определять значимость событий и адаптировать поведение к окружающей среде. Они участвуют как в обработке вознаграждения, так и в реакции на неприятные и неожиданные события.

Поэтому изменение их реактивности может иметь далеко идущие последствия.

Если ранний опыт делает такую систему более чувствительной к последующим воздействиям, новый стресс потенциально способен вызывать непропорционально сильный нейронный ответ.

Авторы действительно обнаружили именно такую зависимость: повышение Setd7 не изменяло исходную возбудимость дофаминовых нейронов, но усиливало их реакцию после взрослого стресса.

Это важнее простой идеи «стресс изменил уровень дофамина». Речь идет о перенастройке того, как нейронная система отвечает на будущие события.

Что исследование говорит о детской травме у людей — и чего оно не говорит

Здесь необходима особенно осторожная граница между экспериментом и интерпретацией.

Основные причинные эксперименты проводились на мышах. Ученые могли вмешиваться непосредственно в VTA, искусственно повышать или снижать Setd7, исследовать ткань мозга и регистрировать электрическую активность отдельных нейронов.

Такой эксперимент невозможно напрямую повторить у человека.

Поэтому работа не доказывает, что у человека после неблагоприятного детского опыта именно SETD7 становится причиной тревожного или депрессивного расстройства.

Она также не означает, что можно измерить H3K4me1 у человека и определить, была ли у него психологическая травма.

И тем более пока не существует терапии психических последствий детской травмы, основанной на подавлении SETD7 в человеческом мозге.

Есть и технические ограничения самой работы. При искусственном повышении Setd7 использовался вектор, который не позволял авторам однозначно приписать все эффекты исключительно дофаминовым нейронам. В отдельных экспериментах применялись разные модели взрослого стресса. А RNA-seq-анализ некоторых экспериментальных групп проводился на небольшом числе образцов.

Авторы поэтому рассматривают SETD7/H3K4me1 прежде всего как механизм, требующий дальнейшего изучения, а не как готовую терапевтическую мишень.

Детский опыт может менять не судьбу, а чувствительность системы

Возможно, самый важный смысл работы находится именно здесь.

Эпигенетические изменения не следует понимать как приговор. Эпигеном — это регулирующая система, через которую клетки реагируют на среду, развитие и опыт.

Даже сами исследователи задают следующий интересный вопрос: если SETD7/H3K4me1 делает дофаминовую систему более чувствительной к отрицательным событиям, может ли та же повышенная пластичность усиливать реакцию и на положительный опыт?

Исследование этого пока не доказало.

Но такой вопрос принципиально меняет взгляд на эпигенетическую «память». Возможно, речь идет не просто о повреждении, а об измененной чувствительности развивающейся системы к будущей среде.

Отсюда возникает и более практическое направление исследований: могут ли поддержка, безопасная среда, психотерапевтические или социальные вмешательства в чувствительные периоды развития влиять на траекторию этих биологических изменений?

На нынешнем этапе это гипотеза, а не установленный способ «защитить эпигеном».

Но теперь у ученых есть конкретный молекулярный механизм, на котором эту гипотезу можно проверять.