Печень — главный фильтр организма, и её работа у самцов и самок различается с первых недель жизни. Эти различия задаются половыми гормонами и характером секреции гормона роста, а проявляются в активности сотен генов: у самцов сильнее работают гены метаболизма ксенобиотиков и стероидов, у самок — липидов и желчных кислот. Ранние воздействия токсикантов могут сбить эту настройку в самый чувствительный период, что увеличивает риск болезней печени во взрослом возрасте. Работа стоит на отшибе: ближайшие соседи в архиве изучают связь генов и среды в поведении подростков, влияние гормонов до рождения на ритм сердца, старение клеток и пластичность эпителия. Данная статья отличается от них тем, что впервые систематически сравнивает семь разных токсикантов сразу на трёх уровнях молекулярной регуляции и на трёх этапах жизни, причём отдельно для самцов и самок.
Использовали данные консорциума TaRGET II: мышам давали токсиканты с двух недель до спаривания родителей до трёх недель после рождения, затем выращивали без воздействий. В печени в возрасте 3 недель, 5 и 10 месяцев измеряли экспрессию генов (RNA-seq), доступность хроматина (ATAC-seq) и метилирование ДНК (полногеномное бисульфитное секвенирование). Для каждого токсиканта и пола сравнивали экспонированных животных с контрольными того же возраста. Дифференциально экспрессированные гены, участки с изменённой доступностью хроматина и дифференциально метилированные регионы анализировали по отдельности, затем искали обогащение путей KEGG и GO, мотивы факторов транскрипции и связи с половыми сигнатурами печени.
Каждый токсикант вызывал свой набор изменений, причём у самцов и самок они почти не пересекались. У самцов чаще менялась экспрессия генов, у самок — метилирование ДНК. Например, трибутилолово вызвало у самок почти 33 тысячи дифференциально метилированных регионов, из которых 95% были гипометилированы. Мышьяк, наоборот, дал согласованные изменения у обоих полов: 95% общих участков хроматина стали более открытыми, а 99% общих метилированных регионов — гиперметилированными. Изменения были привязаны к возрасту: почти не было генов, которые оставались бы изменёнными на всех трёх стадиях. Только два гена сохраняли постоянное изменение: Tmem200b у самок при воздействии PM2.5-CHI и Ces1d у самцов при воздействии свинца. Важно, что токсиканты сбивали естественные половые различия: у самцов многие мужские гены замолкали, а женские, наоборот, активировались. Так, при воздействии трибутилолова у самцов снижалась экспрессия 38 мужских генов и повышалась экспрессия 10 женских.
Работа показывает, что ранние воздействия токсикантов не просто вызывают временные сбои, а перестраивают половую программу печени, причём самцы более уязвимы. Это отличается от соседних работ, которые изучали отдельные воздействия или отдельные молекулярные слои: здесь впервые семь токсикантов сравнены на трёх уровнях регуляции и в динамике жизни. Полученные данные объясняют, почему у мужчин и женщин разная предрасположенность к болезням печени после одинаковых воздействий среды, и указывают на метилирование ДНК как на потенциальный биомаркер ранней экспозиции.
Тема будет развиваться в сторону изучения механизмов, через которые токсиканты влияют на половые программы. Особый интерес представляет путь гормона роста, который управляет мужскими генами печени: если токсиканты сбивают его пульсовую секрецию, это объяснило бы наблюдаемую феминизацию мужской печени. Также важно проверить, сохраняются ли эпигенетические изменения в следующих поколениях и можно ли обратить их вспять.
Результаты важны для токсикологии, эпигенетики, гепатологии и изучения половых различий в медицине. Они могут помочь в разработке биомаркеров экспозиции и в оценке рисков для разных групп населения.
Следующий шаг — проверить, как токсиканты влияют на сигнальный путь гормона роста в печени, и провести аналогичные исследования на других тканях и видах, включая человека.
Работа напрямую касается нерешённой проблемы в токсикологии: почему одинаковые дозы токсикантов вызывают разные последствия у самцов и самок и как ранние воздействия программируют болезни взрослого возраста. Она также вносит вклад в понимание полового диморфизма печени, который до сих пор плохо изучен на уровне эпигенома.
Только два гена сохраняли изменённую экспрессию на всех трёх стадиях жизни: Tmem200b у самок при воздействии PM2.5-CHI и Ces1d у самцов при воздействии свинца. Остальные тысячи изменений приходили и уходили с возрастом.
Работа опубликована не на arXiv. Здесь её страница, PDF и формализация: проверить можно самим, а не только прочитать наш разбор.