Стресс и активность генома. Базовые системы защиты организма при стерессе

 

Стресс – неспецифическая системная реакция, обусловливающая привлечение энергетических ресурсов для адаптации организма к новым условиям.

Что характеризует стресс:

• Стресс возникает в ответ на угрозу целостности организма, в том числе и нематериализовавшуюся.

• Стресс является защитно-адаптационной реакцией.

• Стресс характеризуется стадийностью:

- начало стресса – фаза тревоги. Энергозатратная фаза, характеризуется напряжением всех функций, в том числе и психических.

- вторая фаза – резистентность. Происходит мобилизация оставшихся энергетических ресурсов, усиление всех процессов, при этом сохраняется относительно высокий функциональный уровень.

- третья фаза стресса – истощение. Подавление психических и висцеральных функций.

Природа стресса

В основе стресса лежит принцип редукции физиологических и нейрохимических механизмов. При стрессе наблюдается значительное снижение сенсорных порогов (в том числе и болевых) и минимизации дисперсии вегетативных параметров.

Три базовые системы защиты организма при стрессе:

· стресс-реализующая (САС – симпато-адреналовая система)- выходит на пик активности непосредственно вслед за стресс-сигналом, обеспечивая реализацию первой фазы стресса. Продолжительность ее невелика (минуты, часы), после чего наблюдается истощение нейрохимических механизмов САС. Этот нейроэндокринный комплекс обеспечивает активацию висцеральных систем.

· Норадреналин и адреналин (гормоны мозгового вещества надпочечников) обеспечивают комплект реакций гиперэргического типа – увеличение катаболизма в тканях, усиление вентиляции легких, активизацию сердечной деятельности, перераспределение кровотока в пользу скелетной мускулатуры, сердца и мозга. Задача – обеспечить борьбу или бегство.

· стресс-потенцирующая (ГГАС – гипоталамо-гипофизарно-адреналовая система)- нейроэндокринная ось, которая запускается адренергическим сигналом и обеспечивает устойчивость 2 фазы стресса, поддерживая сравнительно высокий уровень энергетики и работоспособность организма. Большинство компонентов этой системы –пептиды, обладающие медиаторной и гормональной активностью. Так, кортиколиберин активирует двигательную и поисковую активность, АКТГ (адренокортикотропный гормон) стимулирует кору надпочечников и стимулирует запоминание. Кортикостероиды (в данной оси) стимулируют катаболизм.

• стресс-лимитирующая (ЭОС – эндогенная опиоидная система и система ГАМК) проявляет свою активность с первых минут защитной реакции, ограничивая избыточные эффекты двух первых систем. После того, как они исчерпают свои возможности, ЭОС начинает доминировать, предопределяя течение завершающей стадии стресса. При этом наступает гипобиотическое состояние, которое позволяет экономить энергетические ресурсы. Комплект морфиноподобных пептидов (эндорфины, энкефалины, динорфины и др.) с выраженным тормозным действием на большинство систем организма, реализующимся через опиатные рецепторы (в основном, пресинаптическое торможение).

Синдром Марфана

• Избыток адреналина в организме у человека может привести к редкому заболеванию – синдрому Марфана. Данный синдром, помимо необычного внешнего вида (очень длинные и тонкие конечности, короткое тело при высоком росте) может обусловливать и высокий уровень развития умственной одаренности. Например, Авраам Линкольн, Г.Х. Андерсен., К.И. Чуковский.

Исследования Д.К. Беляева ( Беляев Д.К., 1982).

• Д.К. Беляев показал, что у мыши под влиянием эмоционального иммобилизационного стресса существенно изменяется способность к воспроизведению потомства.

• Мыши разных генетических линий по-разному реагировали на стресс: при сравнении показателей воспроизводства в обычных условиях и при стрессе изменялись ранги животных с разными генотипами в отношении функции воспроизводства, т.е. стресс изменяет внутрипопуляционную генетическую изменчивость и селективная ценность животных разных генотипов в нормальных условиях и при стрессе оказывается неодинаковой.

• Эмоциональный стресс влияет на частоту рекомбинационного процесса, а также на индукцию доминантных аллелей. Показано влияние гормонов коры надпочечников (кортикостероидного комплекса) на экспрессивность и проявляемость (пенетрантность) некоторых конкретных генов у мышей. Имеются данные о влиянии гормонов (стероидов) на проявления генома в головном мозге.

• По-мнению Д.К. Беляева эти данные свидетельствуют о наличии прямой и обратной связи между мозгом и генами. Ключевая роль в этом процессе принадлежит стрессу, играющему роль внутреннего механизма регуляции наследственной изменчивости и эволюционного процесса. Стресс изменяет активность генома.

В генетических исследованиях используются эксперименты с очень удобным объектом – инфузорией-туфелькой. Используются вещества, которые включают и выключают гены, контролирующие натриевый и кальциевый обмен. Чтобы был пейсмекер, необходим кальций (в мембране должна работать кальциевая проводимость).

При воздействии ацетилхолина включается пейсмекер, который работает 1 час (это означает, что нейрон «задумался»). Подобные исследования напоминают охоту – исследователь ожидает, пока инфузория наестся и ляжет отдыхать, в этот момент он подкрадывается к отдыхающему животному с микроэлектродом и дальше можно использовать биологически активные вещества в сверхмалых дозах, которые и контролируют кальциевую проводимость.

Американские ученые из различных университетов впервые провели исследования по влиянию алкоголя на экспрессию генов в различных регионах ЦНС. Полученные результаты, опубликованные в журнале Alcoholism: Clinical & Experimental Research, пролили свет на этиологию и патогенез многих заболеваний, связанных с употреблением алкоголя. Ученые выяснили, что алкоголь изменяет работу до несколько сотен генов в зависимости от точки приложения как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения выработки определенных протеинов. В любом случае, подметили исследователи, такое изменение экспрессии отрицательно сказывается на функции ЦНС и запускает патологический механизм, приводящий к многим заболеваниям.

          Генетика свойств нервных процессов. Первым, кто обратил внимание на необходимость изучить генетическую природу свойств основных нервных процессов (их силы, уравновешенности и подвижности), был И. П. Павлов в процессе разработки им физиологической базы для определения типов нервной системы животных. В дальнейшем отечественные ученые (Л. В. Крушинский, 1946; В. К. Красусский, 1963) доказали генетическую детерминированность силы возбудительного процесса, а В. К. Федоров (1971) показал зависимость от генотипа материнского организма такого свойства, как подвижность нервных процессов. М. Е. Лобашев обратил внимание на наследование такого фундаментального свойства нервной системы, как возбудимость, которая определяет действие генов, детерминирующих отдельные поведенческие акты.          Ученики М. Е. Лобашева создали стройную систему взглядов на нейрохимическую и молекулярную детерминацию поведения (Н. Г.Лопатина, В. В. Пономаренко, 1987). Исследования позволили вычленить эффект отдельного гена, вносящего основной вклад в формирование порога нервно-мышечной возбудимости, а также установить его идентичность с определенным локусом хромосомы. Более того, эти же гены участвуют в наследственной детерминации пороговых характеристик нервной системы в целом. У видов, пород и рас животных, имеющих высокую нервно-мышечную возбудимость, наблюдали и более высокую пищевую возбудимость и более высокие показатели силы возбуждения. Основой такой общности генетических механизмов могут быть функциональные или структурные особенности клеточных мембран и связанных с ними ферментов, определяющих характер протекания внутриклеточных процессов (В. В. Пономаренко, 1970).          Генетическая детерминация особенностей обучения. Выведены линии крыс, различающихся по обучаемости в сложном лабиринте: способные крысы ориентировались лучше по пространственным ориентирам, а неспособные - по зрительным. Большое значение при этом имеет характер мотивации: способные крысы сильнее мотивируются голодом, а неспособные - в защитно-оборонительных ситуациях. Вклад каждой из скрещиваемых линий в свойства обучаемости конкретного поколения и особи неодинаков. М. П. Садовникова-Кольцова (1928) предположила наличие у крыс трех групп генов, детерминирующих способность к обучению: гены двигательной активности; гены эмоции страха; гены ориентировочно-исследовательского инстинкта.           Однако корреляция этих свойств со способностью к обучению не всегда проявляется, и в настоящее время рассматривают эти комбинации признаков как носящие фенотипический характер. Наследственную основу различий в обучении М. Е. Лобашев предполагал искать в генетически детерминированных особенностях безусловных рефлексов, прежде всего в уровне пищевого рефлекса как основного модулятора функциональной активности нервной системы. Показано наличие генетических корреляции между уровнем функциональной активности нервной системы и способностью к выработке условных рефлексов (В. В. Пономаренко).          Ю. С. Дмитриевым (1981) было установлено, что порог возбудимости и скорость образования оборонительных условных рефлексов проявляют сходный характер наследования. Вероятно, в основе лежит множественный эффект какой-то общей группы генов. В число контролируемых им признаков поведения следует отнести ориентировочно-исследовательскую активность, общую двигательную активность и уровень эмоционального статуса. Последние могут участвовать в наследственной обусловленности условно-рефлекторных форм поведения. Ген, контролирующий вышеназванные признаки, идентичен гену, определяющему содержание биологически активных соединений в плазме крови, серотонина и норадреналина в тканях гипоталамуса (А. Оливерио и др., 1973; Ю. С. Дмитриев, 1981). Таким образом, множественное влияние одного и того же гена может заключаться в контроле порога возбудимости нервной системы, содержания нейроактивных соединений и способности к обучению (образованию оборонительных условных рефлексов).          Генотип и анатомические особенности мозга. Благодаря трансплантации появилась возможность экспериментального изменения массы мозга. Пересадка африканской рыбке-теляпии среднего мозга от донора увеличила общую массу мозга реципиента и одновременно улучшила интеллектуальные способности: рыбка успешно выполняла задачи по различению и переделке сигнального значения раздражителей, что до операции делала с трудом. К настоящему времени получено значительное число убедительных аргументов, которые позволили приписывать особую роль структурам гиппокампа в процессах обучения и памяти. В процессе начальных этапов обучения в нейронах гиппокампа наблюдается более интенсивное включение меченых белков (Р. Хиден, 1972). Ухудшение способности к обучению соответственно связывают с нарушением синтеза специфических белков нервной ткани. Если в наследственной обусловленности структурных признаков и способности к обучению участвуют общие гены, то генетическая изменчивость одного из признаков повлечет за собой изменения и в уровне проявления второго. Оказалось, что изменчивость синапсов на клетках гиппокампа значима для наследственно обусловленного уровня активации этих нейронов. Причем число окончаний мшистых волокон на дендритах пирамидных клеток находится в определенной связи со способностью мышей к образованию оборонительных условных рефлексов. Между числом терминалов на базальных дендритах и уровнем осуществления условных рефлексов существует высокая отрицательная корреляция. Высокий уровень условно-рефлекторной деятельности коррелирует с многочисленностью синапсов на апикальных дендритах пирамид гиппокампа. Последнее связывают с тем, что создаются лучшие условия для проявления состояния длительной активации гипппокампа, что обеспечивает его участие в процессах обучения и запоминания.          Структурные изменения распространяются и на другие отделы мозга: у крыс с высоким уровнем условно-рефлекторной деятельности обнаружена большая ширина сенсомоторной области коры, большие размеры зубчатой фасции, мозолистого тела с большим числом миелинизированных волокон. Генетически детерминированные структурные особенности захватывают и лимбическую систему мозга (Н. И. Дмитриева и др., 1983, 1985): у хорошо обучающихся крыс увеличивается ширина лимбической коры; увеличивается размер клеток ядер гипоталамуса и амигдалы; увеличивается число глиальных клеток свода по сравнению с животными с низким уровнем возбудимости и скорости образования условных рефлексов.          Л.В. Крушинский (1977) считает, что избыточное количество нейронов мозга - необходимое условие для полноценного восприятия окружающей среды и формирования адекватных поведенческих реакций.

          Таким образом, стресс модифицирует и интегрирует деятельность четырех уровней: генного, эндокринного, нервного, психического. Эмоциональный стресс является регулятором активности генов в индивидуальном развитии и в эволюции.

 

Литература:

1. Александров А.А. Психогенетика. С.-Пб.: Питер, 2004. 192 с.
2. Атраментова Л.А., Филипцова О.В. Введение в психогенетику. М.: Флинта, 2004. 472 с.
3. Батуев А.С. Физиология ВНД и сенсорных систем. с. 159 – 166.
4.  Беляев Д.К., Бородин П.М. Влияние стресса на наследственность и изменчивость и его роль в эволюции // Эволюционная генетика.- Л., 1982.- С.35-59.
5. Беляев Д.К. Генетика, общество, личность// Фролов И.Т. (отв. ред.) Человек в системе наук.- М., 1989.- С. 155-164.
6. Витвицкая Л.В. Сравнительный анализ функций генома в клетках мозга при формировании адаптивного поведения у животных разного уровня онто- и филогенеза.- Автореф. дисс. докт. биол. Н., 1991.
7. Крушинский Л.В. Формирование поведения животных в норме и патологии.- М., 1960.
8. Равич-Щербо И.В., Марютина Т.М., Григоренко Е.Л. Психогенетика.- М.: Аспект-пресс, 1999.