Вие сте това, което ядете - съвсем буквално. Диетата ни може да повлияе на малките промени в нашия геном, които са в основата на няколко заболявания, включително рак и затлъстяване.

оформя

ДНК спирала
Снимката е предоставена от mstroeck/
Wikimedia Commons

Когато се погледнете в огледалото, може да попитате: „Как, като се има предвид, че всички клетки в тялото ми носят една и съща ДНК, може ли органите ми да изглеждат толкова различни и да функционират толкова различно?“ С неотдавнашния напредък в епигенетиката започваме да разбера. Сега знаем, че клетките използват генетичния си материал по различни начини: гените се включват и изключват, което води до удивителното ниво на диференциация в телата ни.

Epigenetics описва клетъчните процеси, които определят дали даден ген ще бъде транскрибиран и преобразуван в съответния му протеин. Съобщението може да бъде предадено чрез малки и обратими химически модификации на хроматин (фигура 1). Например, добавянето на ацетилови групи (ацетилиране) към протеини на ДНК скеле (хистони) подобрява транскрипцията. За разлика от това, добавянето на метилови групи (метилиране) към някои регулаторни области на самата ДНК намалява генната транскрипция. Тези модификации, заедно с други регулаторни механизми, са особено важни по време на развитието - когато точното време на генното активиране е от решаващо значение за осигуряване на точна клетъчна диференциация - но продължават да имат ефект и в зряла възраст.

Епигенетични модификации могат да възникнат в отговор на стимулите от околната среда, един от най-важните от които е диетата. Механизмите, чрез които диетата влияе върху епигенетиката, не са напълно изяснени, но някои ясни примери са добре известни.

Фигура 1: Епигенетични промени
към хроматиновата структура
включват главно хистон
ацетилиране - което засилва
транскрипция - и ДНК
метилиране, при което метил
групите са ковалентно свързани
на цитозин, което прави
хроматинова структура по-малко
достъпни. Тези промени са
обратим, позволяващ ген
дейност, която да се адаптира
променяща се среда
условия или сигнали.
Това изображение беше актуализирано на
13 май 2014 г.
Снимката е предоставена от Кристина Флореан

През зимата на 1944–1945 г. Холандия претърпя ужасен глад в резултат на германската окупация и хранителният прием на населението спадна до по-малко от 1000 калории на ден. Жените продължават да забременяват и раждат по време на тези трудни времена и тези деца вече са възрастни на около 60 години. Неотдавнашни проучвания разкриха, че тези индивиди - изложени на калорични ограничения, докато са в матката на майка си - имат по-висок процент на хронични заболявания като диабет, сърдечно-съдови заболявания и затлъстяване, отколкото техните братя и сестри. Изглежда, че първите месеци на бременността са имали най-голям ефект върху риска от заболяване.

Как може нещо, което се е случило преди да се родиш, да повлияе на живота ти до 60 години по-късно? Отговорът изглежда се крие в епигенетичните адаптации, направени от плода в отговор на ограниченото снабдяване с хранителни вещества. Точните епигенетични промени все още не са ясни, но беше открито, че хората, които са били изложени на глад вътреутробно, имат по-ниска степен на метилиране на ген, замесен в метаболизма на инсулина (инсулиноподобния растежен фактор II), отколкото техните неекспонирани братя и сестри ( Heijmans et al., 2008). Това има някои стряскащи последици: въпреки че епигенетичните промени на теория са обратими, полезните промени, които се случват по време на ембрионалното развитие, въпреки това могат да продължат в живота на възрастните, дори когато вече не са полезни и дори могат да навредят. Някои от тези промени могат дори да продължат през поколенията, засягайки внуците на изложените жени (Painter et al., 2008).


Фигура 2: Две дами
плуващи ларви на пчели
пчелно млечице в маточната им клетка.
Ларвите на кралицата се хранят
изключително с пчелно млечице,
което задейства
развитие на кралицата
фенотип, позволяващ
възпроизвеждане
С любезното съдействие на Waugsberg/
Wikimedia Commons

Ефектите от ранната диета върху епигенетиката също са ясно видими сред пчелите. Това, което отличава стерилните работни пчели от плодоносната матка, не е генетиката, а диетата, която те спазват като ларви (фигура 2). Ларвите, определени за да станат майки, се хранят изключително с пчелно млечице, вещество, отделяно от работни пчели, което включва генната програма, в резултат на която пчелата става плодородна.

Друг поразителен пример за това как храненето влияе върху епигенетиката по време на развитието се намира при мишки. Хората с активен ген на агути имат жълто покритие и склонност към затлъстяване. Този ген обаче може да бъде изключен чрез метилиране на ДНК. Ако бременна мишка агути получава хранителни добавки, които могат да освободят метилови групи - като фолиева киселина или холин - гените на агути на малките стават метилирани и по този начин неактивни. Тези малки все още носят гена на агути, но те губят фенотипа на агути: те имат кафява козина и нямат повишена склонност към затлъстяване (фигура 3).

Фигура 3: Мишката agouti
модел. Фенотипът
зависи от диетата на майката
по време на бременност. A:
Обикновено генът на агути е
свързан с жълта козина
и тенденция към
затлъстяване. Б: Мишки, родени от а
майка, която получава диета
добавки на метил
донорите обаче имат a
метилиран и по този начин
инактивиран ген на агути,
в резултат на което се получава тънък, кафяв-
фенотип на козината.
Снимката е предоставена от Кристина
Флореан

Недостатъчното усвояване на фолиева киселина също е свързано с условията на развитие при хората, като спина бифида и други дефекти на нервната тръба. За да се предотвратят подобни проблеми, добавките с фолиева киселина се препоръчват широко за бременни жени и за онези, които се надяват да забременеят (вж. Hayes et al., 2009).

Какво ще кажете за диетичния ефект върху епигенетиката в зрелия живот? Много компоненти на храната имат потенциал да предизвикат епигенетични промени при хората. Например броколите и други кръстоцветни зеленчуци съдържат изотиоцианати, които са в състояние да увеличат ацетилирането на хистона. Соята, от друга страна, е източник на изофлавоновия генистеин, за който се смята, че намалява метилирането на ДНК в определени гени. Намерено в зеления чай, полифенолното съединение епигалокатехин-3-галат има много биологични активности, включително инхибиране на ДНК метилирането. Куркуминът, съединение, открито в куркума (Curcuma longa), може да има множество ефекти върху генното активиране, тъй като инхибира метилирането на ДНК, но също така модулира ацетилирането на хистона. Фигура 4 показва допълнителни примери за епигенетично активни молекули.


Пазар на плодове в Испания
Снимката е предоставена с любезното съдействие на Марсел
Theisen/Wikimedia Commons

Повечето данни, събрани досега за тези съединения, идват от експерименти in vitro. Пречистените молекули бяха тествани на клетъчни линии и измерван ефектът им върху епигенетичните цели. Остава да се докаже дали яденето на съответните храни има същия забележим ефект, както е наблюдаван при клетъчните модели (Gerhauser, 2013).

Епидемиологичните проучвания обаче предполагат, че популациите, които консумират големи количества от някои от тези храни, изглеждат по-малко склонни към определени заболявания (Siddiqui et al., 2007). Повечето от тези съединения обаче имат не само епигенетични ефекти, но и влияят върху други биологични функции. Храната може да съдържа много различни биологично активни молекули, което затруднява установяването на пряка връзка между епигенетичната активност и цялостния ефект върху тялото. И накрая, всички храни претърпяват много трансформации в храносмилателната ни система, така че не е ясно колко от активните съединения всъщност достигат своите молекулни цели.

В резултат на техните далечни последици епигенетичните промени участват в развитието на много заболявания, включително някои видове рак и неврологични заболявания. Тъй като клетките стават злокачествени или ракови, епигенетичните модификации могат да деактивират туморни супресорни гени, които предотвратяват прекомерната клетъчна пролиферация (Esteller, 2007). Тъй като тези епигенетични модификации са обратими, има голям интерес към намирането на молекули - особено на хранителни източници - които могат да отменят тези вредни промени и да предотвратят развитието на тумора.

Всички знаем, че диетата, богата на плодове и зеленчуци, е здравословна за нашето ежедневие, но става все по-ясно, че тя може да е много по-важна от това, като има значителни последици за нашето дългосрочно здраве и продължителност на живота.

Препратки

  • Esteller M (2007) Епигенетично заглушаване на гена при рак: ДНК хиперметилом. Човешка молекулярна генетика16.(1): R50-R59. doi: 10.1093/hmg/ddm018
  • Gerhauser C (2013) Хемопревенция на рака и хранителна епигенетика: състояние на техниката и бъдещи предизвикателства. Теми в текущата химия329: 73-132. doi: 10.1007/128_2012_360
  • Hayes E, Maul H, Freerksen N (2009) Фолиева киселина: защо учениците трябва да знаят за нея. Наука в училище13: 59-64.
  • Heijmans BT et al. (2008) Устойчиви епигенетични различия, свързани с пренаталното излагане на глад при хората. Известия на Националната академия на науките на САЩ105: 17046-17049. doi: 10.1073/pnas.0806560105
  • Художник R et al. (2008) Трансгенерационни ефекти от пренаталното излагане на холандския глад върху неонаталното затлъстяване и здравето в по-късен живот. BJOG: Международно списание по акушерство и гинекология115: 1243-1249. doi: 10.1111/j.1471-0528.2008.01822.x
  • Siddiqui IA et al. (2007) Чаена напитка при химиопрофилактика и химиотерапия на рак на простатата. Acta Pharmacol Sinica28(9): 1392-1408. doi: 10.1111/j.1745-7254.2007.00693.x

Ресурси

  • За просто въведение в епигенетиката вижте:
    • McVittie B (2006) Епигенетика. Наука в училище2: 62-64.
  • За да научите повече за храненето и епигенетиката, вижте:

    • Връзка А и сътр. (2010) Хемопревенция на рака чрез диетични полифеноли: Обещаваща роля за епигенетиката. Биохимична фармакология 80(12): 1771 - 1792. Doi: 10.1016/j.bcp.2010.06.036

      Roseboom TJ и сътр. (2001) Ефекти от пренаталното излагане на холандския глад върху болестта при възрастни в по-късен живот: преглед. Молекулярна и клетъчна ендокринология 185: 93-8. doi: 10.1016/S0303-7207 (01) 00721-3

      Chittka A, Chittka L (2010) Епигенетика на роялти. PLOS Biology 8 (11): e1000532. doi: 10.1371/journal.pbio.1000532.

      PLOS Biology е списание с отворен достъп, така че тази статия е свободно достъпна онлайн.

  • За повече информация относно епигенетиката на пчелите
  • За лесен преглед на епигенетиката и гена agouti при мишки вижте:
    • Adams J (2008) Затлъстяването, епигенетиката и генната регулация. Природна просвета1(1).
  • За да научите как нивата на хормоните по време на бременност могат да повлияят на пола на детето, вижте:
    • Notman (2012) Intersex: попадане извън нормата. Наука в училище23.: 48-52.

Автор

Кристина Флореан получи докторска степен по биомедицински науки от университетите в Падуа и Бордо. По време на докторантурата си тя е работила върху болестта на Алцхаймер и оптимизацията на скрининга на лекарства. Тя прекарва една година в Университета в Удине, като работи върху рака и епигенетичните ензими, а сега работи в Люксембург в Лабораторията по молекулярна и клетъчна биология на рака (Laboratoire de Biologie Moleculaire et Cellulaire du Cancer) като постдокторант. Текущите й научни интереси са природни съединения, показващи епигенетична активност като кандидати за противоракови лекарства и епигенетични събития, свързани с канцерогенезата.