Чи може дієта змінити наші гени? Чи можуть наші дитячі травми вплинути на наших дітей та онуків? Відповіді на ці питання може дати епігенетика, тобто наука, яка вивчає т. Зв епігенетичні модифікації. В даний час епігенетичні модифікації вважаються одним з найважливіших відкриттів у молекулярній біології, оскільки вони дозволили зрозуміти взаємозв'язок між генетичним фоном та факторами середовища.
Зміст:
- Епігенетика - що таке епігенетичні модифікації?
- Епігенетика - типи епігенетичних модифікацій
- Епігенетика - роль епігенетичних модифікацій
- Епігенетика - дієта
- Епігенетика - поліморфізми гена MTHFR
- Епігенетика - стрес
- Епігенетика - вплив на здоров’я
Епігенетика - це розділ науки, який вивчає зміни в експресії генів, які не зумовлені модифікацією послідовності в ланцюзі ДНК. Такі модифікації називаються епігенетичними модифікаціями, і вони є типом молекулярних маркерів, які додаються до ланцюгів ДНК відповідними ферментами, наприклад, метилтрансферазами.
За допомогою епігенетичних модифікацій організм може контролювати перебіг багатьох ключових біологічних процесів, таких як розвиток певних тканин і органів в утробі матері.
Термін "епігенетика" вперше був використаний Ваддінгтоном у 1942 році. Префікс "епі-" походить від грецького слова "вгорі", що в вільному перекладі означає щось, що вище класичної генетики.
Епігенетика - що таке епігенетичні модифікації?
Молекулярні маркери, додані до ланцюга ДНК під час епігенетичної модифікації, можуть вирішити, експресується даний ген чи ні, діючи як молекулярні "перемикачі" та "перемикачі", які регулюють експресію певних генів.
Найголовніше, що такі модифікації не змінюють структуру ланцюга ДНК, тобто вони не є типом генетичної мутації, яка незворотна, а тим, що зазнає динамічних змін під впливом факторів навколишнього середовища.
Крім того, відповідні молекулярні маркери додаються або видаляються після кожного поділу клітини та дублювання ланцюга ДНК.
Отже, кожна клітина має свій характерний зразок молекулярних маркерів, який визначає її специфічний профіль експресії генів. Колекція таких молекулярних маркерів називається епігеном.
Найвідомішою епігенетичною модифікацією є метилювання ДНК, яке полягає у приєднанні метильної групи до цитозину (основної сполуки, що входить до складу ДНК).
У свою чергу, зворотною епігенетичною модифікацією метилювання є деметилювання, яка полягає у видаленні метильної групи з цитозину.
Епігенетика - типи епігенетичних модифікацій
Епігенетичні модифікації можуть безпосередньо впливати на нитки ДНК:
- Метилювання ДНК, тобто приєднання метильних груп до цитозину за допомогою метилтрансфераз ДНК
- Деметилювання ДНК, тобто видалення метильних груп з цитозину за допомогою деметилаз ДНК
- Крім того, епігенетичні модифікації вносяться до білків, на яких нічого не намотано ДНК, тобто гістонів:
- метилювання залишків лізину та аргініну гістонів з гістон-метилтрансферазами
- деметилювання залишків лізину та аргініну гістонів дестомілазами гістону
- ацетилювання залишків гістону лізину ацетилтрансферазами гістону
- деацетилювання залишків гістону лізину гістондеацетилазою
- фосфорилювання серинових залишків гістону кіназами
- убіквітація залишків лізону гістону шляхом приєднання білка убиквітину до гістонів із застосуванням ферментів Е1, Е2 та Е3
- рибозилювання залишків глутоміну гістону та аргініну, що включає приєднання нуклеотидів ADP-рибози із застосуванням полімерази та трансферази
Атиповою епігенетичною модифікацією є т. Зв некодуючі молекули РНК, наприклад мікроРНК (miРНК). Це короткі одноланцюгові молекули РНК (ДНК-подібні сполуки), які можуть регулювати експресію генів, блокуючи утворення білків.
Епігенетика - роль епігенетичних модифікацій
- посилена експресія генів
- вимкнення експресії гена
- контроль диференціації клітин в організмі
- ембріональний розвиток
- регулювання ступеня конденсації хроматину, наприклад, інактивація Х-хромосоми, завдяки чому у жінок активна лише одна копія генів, пов'язаних із статтю.
Цікавим прикладом ролі епігенетичної модифікації у розвитку тварин є бджоли. У цих комах матка є матір’ю всіх бджіл в одному вулику, внаслідок чого всі вони мають однакову послідовність ДНК.
Незважаючи на це, в одному вулику мешкають комахи, які виглядають і поводяться по-різному. Робітники менші за королеву і відрізняються м'яким вдачею, тоді як солдати більші та агресивніші.
Ці відмінності спричинені епігенетичними модифікаціями, які визначають зовнішній вигляд та поведінку бджіл, адаптованих до ролі, яку вони відіграють у вуликовій спільноті.
Подібний механізм спостерігається під час внутрішньоутробного розвитку тварин, коли приглушення та посилення експресії специфічних генів впливає на долю даної стовбурової клітини, будь то нервова клітина головного мозку або клітина шлункового епітелію.
Епігенетика - дієта
Епігенетичні модифікації відбуваються вже протягом внутрішньоутробного життя, а потім можуть зазнавати динамічних змін протягом усього життя під впливом факторів зовнішнього середовища.
Одним з найважливіших факторів, що впливають на форму епігенома, є їжа та її біоактивні речовини.
Вплив дієти на епігенетичні модифікації підтверджено в багатьох доклінічних та клінічних дослідженнях.
Існує принаймні два механізми, за допомогою яких дієта може впливати на епігенетичну модифікацію, головним чином на процес метилювання:
- шляхом зміни доступності донорів метилу, таких як S-аденозилметионін (SAM), який синтезується в циклі метіоніну з кількох попередників, присутніх у їжі, включаючи метіонін, холін та його похідні бетаїн, фолієву кислоту та вітаміни B2, B6 та B12. Отже, знижена доступність цих сполук може призвести до зменшення синтезу SAM та порушення процесу метилювання
- шляхом модуляції активності ферментів, пов’язаних із процесом метилювання (наприклад, метилтрансфераза DNMT), через споживання поліфенолів, що містяться у фруктах, овочах та спеціях. Прикладами таких сполук є ресвератрол у червоному вині, епігалокатехінгалат (EGCG) у зеленому чаї, куркумін у кореневищі куркуми, геністеїн у сої, сульфорафан у брокколі, кверцетин у цитрусових та гречці
Вплив дієти на епігеном внутрішньоутробно було задокументовано відомим експериментом на лабораторних мишах "агуті", які характеризуються жовтим кольором шерсті та схильністю до ожиріння, діабету та раку.
Жовтий колір хутра у цих мишей є своєрідним показником недостатнього метилювання генів.
В експерименті вагітних мишей "агуті", серед іншого, годували кормом з високим вмістом донорів метилу. фолієва кислота та холін.
На подив вчених, потомство цих мишей не було схоже на своїх батьків. Першою помітною ознакою була зміна кольору шерсті на коричневий, але найдивовижнішим було те, що миші втратили схильність до хвороб, якими страждали їхні батьки.
Як виявилося, це було наслідком модифікованого харчування та відновлення нормального метилювання ДНК.
Ці спостереження підтверджують той факт, що епігеном може бути змінений за допомогою дієти і може мати далекосяжні наслідки для здоров'я.
В останні роки також була продемонстрована значна роль мікробіоти кишечника в процесі епігенетичної модифікації.
Кишкові мікроорганізми виробляють різні біоактивні речовини, наприклад, коротколанцюгові жирні кислоти, і їх кількість залежить від видового складу мікробіоти та якості раціону.
Високий вміст у раціоні пребіотичних продуктів, таких як розчинні харчові волокна, наприклад стійкий крохмаль, збільшує концентрацію коротколанцюгових жирних кислот, які позитивно впливають на епігеном клітин епітелію кишечника.
Епігенетика - поліморфізми гена MTHFR
На ефективність епігенетичних модифікацій можуть також впливати генетичні поліморфізми, тобто незначні зміни в геномі, наслідком яких є наявність різних людських варіантів у людській популяції.
Серед інших наслідків генетичного поліморфізму. різна реакція кожного на поживні речовини.
Вважається, що у 15-30% людей може бути підвищена потреба в донорах метилу (особливо у фолієвій кислоті) через несприятливі поліморфізми гена MTHFR, який кодує фермент метилентетрагідрофолатредуктазу.
Цей фермент відповідає за перетворення фолієвої кислоти в її активну форму.
Люди з несприятливим варіантом поліморфізму гена MTHFR мають порушення перетворення неактивної форми фолієвої кислоти в її активну форму 5-метилтетрагідрофолат (5-MTHF), отже, вони мають підвищену потребу в донорах метилу.
І хоча дослідження чітко не підтвердило, що у таких людей може бути знижене метилювання ланцюгів ДНК, у їхньому випадку варто звернути увагу на достатнє харчування в раціоні або додаткові добавки донорів метилу, таких як фолієва кислота або холін.
Епігенетика - стрес
Надлишок гормонів стресу, серед інших кортизол може впливати на епігенетичні модифікації нервової системи та збільшувати ризик психічних розладів.
Було задокументовано, що люди, які страждають від тривожних розладів, посттравматичного стресового розладу, посттравматичного стресового розладу та депресії, мають характерний епігенетичний профіль модифікації (переважно знижене метилювання ДНК).
Вважається, що такий епігеном формується внаслідок дитячих травматичних переживань та / або хронічних стресових ситуацій.
Цей епігенетичний профіль зберігається протягом усього життя в них і, ймовірно, передається дітям і онукам (так зване екстрагенне успадкування).
Епігенетика - вплив на здоров’я
Помилки під час епігенетичних модифікацій, такі як приглушення експресії неправильного гена, можуть спричинити серйозні наслідки у функціонуванні організму, наприклад, викликати рак.
Крім того, все більше досліджень вказують на те, що епігенетичні модифікації, крім участі у фізіологічних процесах, можуть брати участь у розвитку таких захворювань, як:
- аутизм
- шизофренія
- депресія
- серцево-судинні захворювання
- нейродегенеративні захворювання
- аутоімунні захворювання
- алергія
Особливо шукається взаємозв'язок між епігенетичними модифікаціями, дієтою та ризиком розвитку конкретних захворювань.
Було показано, що значні епігенетичні модифікації відбуваються внутрішньоутробно, що може мати наслідки у зрілому віці.
Тому те, що їсть мати під час вагітності, може збільшити ризик деяких захворювань і навіть вплинути на наступне покоління.
Доведено, що діти матерів, які були вагітними під час голодної зими в Нідерландах у 1944-1945 роках, мали підвищений ризик серцево-судинних захворювань, ожиріння та шизофренії порівняно з дітьми матерів, які не голодували.
У дітей голодних мам, серед інших, було виявлено, знижене метилювання гена, що кодує інсуліноподібний фактор росту 2 (IGF2).
Варто знатиВ даний час розвиток епігенетики є предметом інтенсивних досліджень в галузі харчової науки. Існує навіть нова дисципліна, що стосується впливу поживних речовин на експресію генів, тобто нутрігеноміка.
Література
- Мусаві А. та Мотевалізаде А. Роль епігенетики у біології та хворобах людини. Iran Biomed J. 2016, 20 (5), 246-258.
- Чой С. В. та Фрісо С. Епігенетика: новий міст між харчуванням та здоров’ям. Adv Nutr. 2010, 1 (1), 8-16.
- Карабін К. Вплив дієти на епігеном людини або як дієта змінює гени. Сучасна дієтологія 15/2018.
- Дмитрак-Венгларц М. та Хаузер Й. Епігенетичні механізми при психічних захворюваннях та когнітивних розладах. Психіатрія 2009; 6, 2, 51–60.
- Poczęta M. та ін. Епігенетичні модифікації та експресія генів у новоутвореннях. Енн Акад. Мед. Сілз. 2018,72, 80-89.
- Радий С. та ін. Зниження метилювання ДНК та психопатологія після ендогенного гіперкортицизму - загальногеномне дослідження. Наукові звіти 2017, 7, 44445.
- Шін В. та ін. Вживання холіну, що перевищує сучасні дієтичні рекомендації, зберігає маркери клітинного метилювання в генетичній підгрупі чоловіків, скомпрометованих фолієвою кислотою. J Nutr. 2010, 140, 5, 975–980.
Прочитайте інші тексти цього автора
