Субекти

През последното десетилетие забележителните пробиви в нашето разбиране за епигенетичната биология съвпаднаха с повишен обществен интерес към въздействието на диетата и избора на начин на живот върху здравето. Добре установено е, че балансираното хранене увеличава продължителността на живота и помага за предотвратяване или лечение на някои заболявания, като затлъстяване, диабет, рак и психични разстройства. Въпреки това, биологичните механизми, лежащи в основата на тези ефекти, все още не са добре разбрани. В този коментар ние изтъкваме няколко скорошни проучвания, които докладват за потенциална връзка между диетичните фактори и промените в епигенетичните пътища, предоставяйки убедителна представа за възможните ефекти на факторите на околната среда върху основните биологични процеси.

nature

Два основни елемента на човешкия епигеном са ковалентни химически модификации, присъстващи на ДНК и хистони, които определят хроматиновата структура и се наричат ​​епигенетични марки. Епигенетичните белези не променят ДНК последователността и следователно цялата геномна информация или генотип, наследени от нашите родители, остават недокоснати. Въпреки това, епигенетичните белези трансформират местната хроматинова среда и по този начин влияят на достъпността на ДНК и регулират широк спектър от ДНК-шаблонирани процеси, включително генна транскрипция. Веднъж поставени погрешно или анормално активни, епигенетичните белези могат да нарушат нормалните профили на генна експресия, като неправилно включват и изключват гени. Идентифицирани са десетки епигенетични белези върху хистони и няколко върху ДНК, като най-разпространени са метилирането и ацетилирането на хистоните и метилирането на ДНК 1. За разлика от фиксираната ДНК последователност, епигенетичните белези са по-малко стабилни и могат да претърпят промени по време на клетъчния цикъл или в отговор на различни стимули, необходими за нормалния клетъчен растеж и оцеляване.

Богатство от неотдавнашни проучвания сочат, че епигенетичните белези също са чувствителни към експозицията на околната среда. Хранителните вещества, токсините, замърсителите, пестицидите и други фактори на околната среда могат да повлияят пряко или косвено върху нивата и оборота на епигенетичните белези. Това от своя страна би довело до трансформирани модели на генна експресия и следователно да повлияе на здравето ни за добро или лошо. Смята се, че някои епигенетични промени преминават към следващото поколение или причиняват временна модулация на подмножества от гени, което в крайна сметка води до прогресия на заболяването 2,3,4,5. Три изследвания, публикувани наскоро в Nature Communications са изследвали как диетата или съединенията, съдържащи се в храната, могат да променят програмите за генна експресия чрез епигенетични механизми, отваряйки нова възможност за изследване на терапии, базирани на тези механизми.

Доказано е, че много други фактори допринасят значително за промени в епигенетичните програми и отговори. Например Krautkramer et al. съобщава, че чревните микроби и техните метаболити влияят върху състоянието на хроматина на гостоприемника, повишавайки хистоновото полиацетилиране и произвеждайки късоверижни мастни киселини (SCFA) 9. Установено е, че диета от западен тип, богата на преработени храни и напитки с високо съдържание на захар, ограничава производството на микробни SCFA, предотвратява появата на много от зависимите от микробиота събития и води до промени в експресията на чернодробните гени. Друг пример е ефектът от кетогенна диета с ниско съдържание на въглехидрати, за която е доказано, че спасява дефекти на паметта на хипокампала в миши модел на синдрома на Кабуки, характеризиращ се със загуба на специфично за мястото метилиране на хистон и дефицит в отвора на хроматин 10. Тази диета насърчава образуването на β-хидроксибутират, HDAC инхибитор, и води до промени в H3ac и H3K4me3 в хипокампуса и спасяване на неврогенезата и фенотипите на паметта на тези модели мишки.

Вдъхновяващо е да станем свидетели на гигантски скок в придобиването на знания за биологични, механистични и физиологични аспекти на епигенетиката. Въпреки че много се научи, ние наистина наистина надраскахме повърхността, за да разберем връзката между очарователно сложния човешки епигеном и факторите на околната среда. Обсъдените по-горе изследвания подчертават потенциалните роли на епигенетичните промени в околната среда, които трябва да бъдат включени в уравнението, докато се опитваме да изготвим изчерпателна карта на епигенетичните мрежи. Ще бъде вълнуващо да видим още проучвания за дисекция на ефекта на хранителните компоненти върху епигенетичния импринтинг, изследване на алтернативни терапевтични подходи, основани на храненето, и разработване на инструменти за персонализирана диета за подобряване на здравето и увеличаване на продължителността на живота.

Препратки

Huang, H., Lin, S., Garcia, B. A. & Zhao, Y. Количествен протеомичен анализ на хистоновите модификации. Chem. Преп. 115, 2376–2418 (2015).

Миска, Е. А. и Фъргюсън-Смит, А. С. Трансгенерационно наследяване: модели и механизми на не-ДНК наследяване на базата на последователност. Наука 354, 59–63 (2016).

Доусън, М. А. и Кузаридес, Т. Епигенетика на рака: от механизъм до терапия. Клетка 150, 12–27 (2012).

Shen, H. & Laird, P. W. Взаимодействие между раковия геном и епигенома. Клетка 153, 38–55 (2013).

Zenk, F. et al. Наследен от зародиш H3K27me3 ограничава подобрителната функция по време на преход от майката към зиготичен. Наука 357, 212–216 (2017).

Wang, J. et al. Епигенетичната модулация на възпалението и синаптичната пластичност насърчава устойчивостта срещу стрес при мишки. Нат. Общ. 9, 477 (2018).

Huang, H. et al. Лизин бензоилирането е хистонова марка, регулирана от SIRT2. Нат. Общ. х, https://doi.org/10.1038/s41467-018-05567-w (2018).

Yuan, X. et al. Епигенетичната модулация на Fgf21 в перинаталния черен дроб на мишката подобрява затлъстяването, предизвикано от диета в зряла възраст. Нат. Общ. 9, 636 (2018).

Krautkramer, K. A. et al. Взаимодействието между диета и микробиота посредничи за глобалното епигенетично програмиране в множество тъкани на гостоприемника. Мол. Клетка 64, 982–992 (2016).

Benjamin, J. S. et al. Кетогенна диета спасява дефекти на паметта на хипокампала в миши модел на синдром на Кабуки. Proc. Natl Акад. Sci. САЩ 114, 125–130 (2017).

Благодарности

Изследванията в лабораторията Kutateladze се финансират от NIH.

Информация за автора

Принадлежности

Катедра по фармакология, Медицински факултет на Университета в Колорадо, Аврора, Колорадо, 80045, САЩ

Yi Zhang & Tatiana G. Kutateladze

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Можете също да търсите този автор в PubMed Google Scholar

Вноски

Y.Z. и Т.Г.К. допринесъл за написването на този ръкопис.

Автора за кореспонденция

Етични декларации

Конкуриращи се интереси

Авторите не декларират конкуриращи се интереси.

Допълнителна информация

Бележка на издателя: Springer Nature остава неутрален по отношение на юрисдикционните претенции в публикувани карти и институционални принадлежности.