Один ген управляет мозгом, стрессом и метаболизмом

Многие люди в сложных ситуациях теряют аппетит – или, наоборот, переедают, – и эти распространенные реакции на стресс указывают на тесную связь между разумом и метаболизмом. Новое исследование, проведенное Научным институтом Вейцмана, раскрывает ранее неизвестную биологическую связь между психическими и физиологическими реакциями на стресс: они управляются одним геном-“вдохновителем”, своего рода главным переключателем, который активен в мозге еще до рождения.

Исследование, опубликованное в журнале Эндокринология (Endocrinology), показывает, что этот ген, называемый Orthopedia, или Otp, который, как давно известно, играет ключевую роль в формировании развивающегося мозга, остается активным и во взрослом возрасте.

Он помогает регулировать ключевые гормональные системы, которые определяют, как мозг контролирует стресс, обмен веществ и даже поведение.

“Мы обнаружили, что та же самая генетическая программа, которая формирует нейронные связи мозга во время эмбрионального развития, продолжает играть центральную роль в регуляции реакции организма на стресс и энергетического баланса на протяжении всей его жизни”, – говорит профессор Гил Левковиц, чья команда проводила исследование в сотрудничестве с лабораторией профессора Алона Чена.

Ген Otp, действующий внутри клеточного ядра, настолько важен, что при его удалении из эмбриона мыши животное погибает. В предыдущем исследовании Левковиц и его команда в первую очередь изучали Otp у рыбок данио, которые несут две версии этого гена с перекрывающимися функциями, что позволяет рыбкам выживать при отключении одной из них.

Более десяти лет назад команда ученых показала, что нарушение работы одного из генов Otp в процессе развития мозга приводит к эффекту, сохраняющемуся на протяжении всей жизни, и не позволяет рыбке должным образом реагировать на стресс во взрослом возрасте.. Они также обнаружили, что белок, вырабатываемый геном Otp, присутствует в мозге взрослых рыбок, говоря о том, что этот ген продолжает работать и после формирования мозга. Однако его роль у взрослых особей оставалась неясной.

Тестирование гена Otp на взрослых мышах

В новом исследовании ученые выбрали мышей в качестве модели для изучения того,, как ген Отр влияет на мозг и метаболизм млекопитающих, включая человека.

Они сосредоточили внимание на гипоталамусе – небольшой, но важной области мозга, которая поддерживает баланс основных функций, необходимых для выживания, – от голода и сна до размножения и борьбы со стрессом. Он делает это, выделяя сигнальные молекулы, которые действуют как в мозге, так и во всем теле.

“Мы обычно называем их гормонами, когда они воздействуют на органы тела, и нейропептидами, когда они действуют на мозг, но в обоих случаях это одна и та же молекула”, – объясняет Левковиц.

Команда ученых разработала генетический инструмент, который позволил им избирательно отключать Otp в определенных группах клеток у взрослых мышей без нарушения развития мозга. В серии экспериментов, проведенных под руководством доктора Яэль Куперман и студентов Мааян Тахор и Тали Наум, они задались фундаментальным вопросом: важен ли этот ген для мозга взрослого человека?

Когда нарушается баланс

Ответом было однозначным: “да”. Когда ген Otp был нарушен, стрессовая система мышей перешла в состояние перегрузки. У них выделялся дополнительный кортикостерон и другие гормоны стресса, и они демонстрировали поведение, похожее на депрессию: у мышей развились плохие стратегии преодоления стресса, они, казалось, замыкались в себе и быстро сдавались перед лицом стрессовых ситуаций. Их устойчивость к стрессу, по-видимому, резко снизилась.

Одновременно с этим у них нарушился обмен веществ. Уровень гормонов щитовидной железы снизился, и в результате температура тела упала, а уровень холестерина повысился. Мыши питались нормально и весили примерно столько же, сколько и контрольные животные, однако у них накопилось больше жира, и их реакция на сигналы голода ослабла.

“Мы обнаружили, что ген Otp действует как центральный узел управления во взрослом мозге”, – говорит Куперман. “Он функционирует в клетках, связанных со стрессом, и в клетках, контролирующих работу щитовидной железы, которая влияет на метаболизм во всем организме”.

Левковиц отмечает, что у людей эти системы часто работают в тандеме. “Депрессия или тревожность могут казаться чисто психологическими проблемами, но в некоторых случаях анализ крови показывает низкий уровень гормонов щитовидной железы. Это может влиять не только на стресс, но и на уровень холестерина, сахара в крови и общий обмен веществ”.

Многозадачность на протяжении всей жизни

На клеточном уровне ген Otp работает как оператор коммутатор. Он улавливает сигналы, поступающие из организма и из внешнего мира, и направляет их к ДНК, определяя, какие гормональные системы активировать и как реагировать на изменяющиеся условия. “Это многозадачное устройство, которое интегрирует поступающие сигналы в ядрах клеток”, – объясняет Левковиц.

С эволюционной точки зрения, полученные данные свидетельствуют о поразительной эффективности. В процессе развития ген Otp контролирует выработку веществ, которые помогают клеткам мозга специализироваться. В более позднем возрасте тот же механизм перепрофилируется – теперь для решения повседневных задач, от стресса до изменений в энергетическом балансе.

“Молекула, о которой мы когда-то думали исключительно как о регуляторе развития, на самом деле является главным регулятором физиологического баланса на протяжении всей жизни”, – говорит Левковиц. “Она не просто создает систему – она поддерживает ее функционирование”.

В то же время исследование выявило высокую степень сложности, показав, что ген Otp помогает сохранить хрупкий баланс между множеством компонентов. Он контролирует не один, а несколько путей одновременно, иногда вызывая противоположные эффекты.Например, в гипоталамусе он может стимулировать экспрессию пептидов, вызывающих чувство голода, а также тех, которые требуют расхода энергии, поддерживая при этом равновесие системы.

“Ген Otp является частью сложной сети”, – объясняет Куперман. “Он может влиять на антагонистические популяции клеток в разных областях гипоталамуса и, по-видимому, помогает поддерживать баланс между ними”.

Подсказки для будущих методов лечения

Исследование открывает новый взгляд на расстройства головного мозга и обмена веществ. Предлагается рассмотреть их в свете основного вопроса: связаны ли определенные проблемы с устойчивостью к стрессу или метаболизмом с ранним развитием или же они являются следствием нарушения регуляции, возникающего в более позднем возрасте?

Заглядывая в будущее, ученые, возможно, смогут воздействовать на определенные области сети, контролируемые геном Otp, вместо того, чтобы пытаться исправить всю систему сразу.

“Мы определили новый главный регулятор баланса в мозге и теле”, – говорит Левковиц. “Более детальное понимание того, как это работает, может однажды привести к более точным способам лечения различных аспектов стресса и метаболической дисфункции – не путем отключения системы, когда что-то работает неправильно, а путем восстановления баланса”.

Подпишитесь на сайт Психолог в интернете
в Telegram, ВКонтакте или в MAX
Помощь психолога