Epigenetika - tajne nasljeđivanja. Epigenetika i rak, prehrana i autizam

Može li prehrana promijeniti naše gene? Mogu li naše traume iz djetinjstva utjecati na našu djecu i unuke? Odgovore na ova pitanja može dati epigenetika, tj. Znanost koja proučava tzv epigenetske modifikacije. Trenutno se epigenetske modifikacije smatraju jednim od najvažnijih otkrića u molekularnoj biologiji, jer su omogućile razumijevanje odnosa između genetske pozadine i čimbenika okoliša.

Sadržaj:

1. Epigenetika - što su epigenetske modifikacije?
2. Epigenetika - vrste epigenetskih modifikacija
3. Epigenetika - uloga epigenetskih modifikacija
4. Epigenetika - dijeta
5. Epigenetika - Polimorfizmi gena MTHFR
6. Epigenetika - stres
7. Epigenetika - utjecaj na zdravlje

Epigenetika je grana znanosti koja proučava promjene u ekspresiji gena koje nisu posljedica modifikacija sekvence u lancu DNA. Takve se modifikacije nazivaju epigenetskim modifikacijama i one su vrsta molekularnih markera koji se odgovarajućim enzimima, npr. Metiltransferazama, dodaju u DNA lance.

Uz pomoć epigenetskih modifikacija, tijelo može kontrolirati tijek mnogih ključnih bioloških procesa, poput razvoja specifičnih tkiva i organa u maternici.

Izraz "epigenetika" prvi je put upotrijebio Waddington 1942. godine. Prefiks "epi-" dolazi od grčke riječi "gore", što u slobodnom prijevodu znači nešto što je iznad klasične genetike.

Epigenetika - što su epigenetske modifikacije?

Molekularni markeri dodani lancu DNA tijekom epigenetske modifikacije mogu odlučiti hoće li se dati gen eksprimirati ili ne, djelujući kao molekularni "prekidači" i "prekidači" koji reguliraju ekspresiju pojedinih gena.

Što je najvažnije, ove vrste modifikacija ne mijenjaju strukturu DNA lanca, tj. Nisu vrsta genetske mutacije koja je nepovratna, već nešto što prolazi dinamičke promjene pod utjecajem čimbenika okoliša.

Uz to, odgovarajući molekularni biljezi dodaju se ili uklanjaju nakon svake diobe stanica i umnožavanja DNA lanca.

Stoga svaka stanica ima svoj karakteristični uzorak molekularnih markera koji određuje njen specifični profil ekspresije gena. Zbirka takvih molekularnih markera naziva se epigenom.

Najpoznatija epigenetska modifikacija je metilacija DNA koja se sastoji u vezivanju metilne skupine na citozin (osnovni spoj koji je dio DNA).

Zauzvrat, reverzna epigenetska modifikacija metilacije je demetilacija, koja se sastoji u uklanjanju metilne skupine iz citozina.

Epigenetika - vrste epigenetskih modifikacija

Epigenetske modifikacije mogu izravno utjecati na DNA lance:

• Metilacija DNA, tj. Vezanje metilnih skupina na citozin pomoću DNA metiltransferaza
• DNK demetilacija, tj. Uklanjanje metilnih skupina iz citozina pomoću DNK demetilaza
• Uz to, vrše se epigenetske modifikacije na proteinima na kojima nije namotana DNA, tj. Histoni:
• metilacija ostataka lizina i arginina histona s histon metiltransferazama
• demetilacija ostataka lizina i arginina histona s histonskim demetilazama
• acetilacija ostataka histon-lizina s histon-acetiltransferazama
• deacetilacija histonskih ostataka lizina pomoću histon deacetilaze
• fosforilacija histonskih ostataka serina kinazama
• ubikvitinacija ostataka histona lizina pričvršćivanjem proteina ubikvitina na histone uz upotrebu enzima E1, E2 i E3
• ribozilacija ostataka histonskog glutamina i arginina koji uključuju vezivanje nukleotida ADP-riboze uz upotrebu polimeraze i transferaze

Atipična epigenetska modifikacija je tzv nekodirajuće molekule RNA, npr. mikroRNA (miRNA). Oni su kratke, jednolančane molekule RNA (spojevi slični DNA) koji mogu regulirati ekspresiju gena blokirajući stvaranje proteina.

Epigenetika - uloga epigenetskih modifikacija

• pojačana ekspresija gena
• prigušivanje ekspresije gena
• kontrola stanične diferencijacije u tijelu
• embrionalni razvoj
• regulacija stupnja kondenzacije kromatina, npr. inaktivacija X kromosoma, zahvaljujući kojoj je u žena aktivna samo jedna kopija gena vezanih za spol.

Pčele su zanimljiv primjer uloge epigenetske modifikacije u razvoju životinja. U ovih insekata matica je majka svih pčela u jednoj košnici, što ima za posljedicu da svi imaju isti slijed DNA.

Bez obzira na to, u jednoj košnici žive insekti koji drugačije izgledaju i ponašaju se. Radnici su manji od matice i imaju blagu narav, dok su vojnici veći i agresivniji.

Te su razlike uzrokovane epigenetskim modifikacijama koje određuju izgled i ponašanje pčela prilagođenih ulozi koju imaju u zajednici košnica.

Sličan mehanizam uočava se tijekom fetalnog razvoja životinja, kada utišavanje i pojačavanje ekspresije određenih gena utječe na sudbinu dane matične stanice, bilo da će to biti moždana živčana stanica ili epitelna stanica želuca.

Epigenetika - dijeta

Epigenetske modifikacije događaju se već tijekom fetalnog života, a zatim mogu doživjeti dinamične promjene tijekom života pod utjecajem čimbenika okoliša.

Jedan od najvažnijih čimbenika koji utječe na oblik epigenoma je hrana i njezine bioaktivne tvari.

Utjecaj prehrane na epigenetske preinake potvrđen je u mnogim pretkliničkim i kliničkim studijama.

Postoje najmanje dva mehanizma pomoću kojih prehrana može utjecati na epigenetsku modifikaciju, uglavnom na proces metilacije:

• promjenom dostupnosti donora metila poput S-adenozilmetionina (SAM), koji se sintetizira u ciklusu metionina iz nekoliko prekursora prisutnih u hrani, uključujući metionin, kolin i njegov derivat betain, folnu kiselinu i vitamine B2, B6 i B12. Stoga smanjena dostupnost ovih spojeva može rezultirati smanjenom sintezom SAM i poremećajem procesa metilacije
• moduliranjem aktivnosti enzima povezanih s postupkom metilacije (npr. DNMT metiltransferaza) kroz konzumaciju polifenola sadržanih u voću, povrću i začinima. Primjeri takvih spojeva su resveratrol u crvenom vinu, epigalokatehin galat (EGCG) u zelenom čaju, kurkumin u rizomi kurkume, genistein u soji, sulforafan u brokuli, kvercetin u agrumima i heljda

Utjecaj prehrane na epigenom u maternici dokumentiran je poznatim pokusom na laboratorijskim miševima "agouti", koje karakterizira žuta boja dlake i sklonost pretilosti, dijabetesu i raku.

Žuta boja krzna kod ovih miševa svojevrsni je pokazatelj nedovoljne metilacije gena.

U eksperimentu su se trudni miševi "agouti", između ostalog, hranili hranom s visokim sadržajem donora metila. folna kiselina i kolin.

Na iznenađenje znanstvenika, potomci ovih miševa nisu nalikovali svojim roditeljima. Prva uočljiva osobina bila je promjena boje dlake u smeđu, ali najviše je iznenadilo to što su miševi izgubili sklonost bolestima od kojih su patili njihovi roditelji.

Ispostavilo se da je to posljedica modificirane prehrane i obnavljanja normalne metilacije DNA.

Ova zapažanja idu u prilog činjenici da se epigenom može promijeniti prehranom i može imati dalekosežne zdravstvene posljedice.

Posljednjih godina također je dokazana značajna uloga crijevne mikrobiote u procesu epigenetske modifikacije.

Crijevni mikroorganizmi proizvode razne bioaktivne tvari, npr. Masne kiseline kratkog lanca, a njihova količina ovisi o vrstama sastava mikrobiote i kvaliteti prehrane.

Velika opskrba prebiotičkim proizvodima u prehrani, poput topljivih dijetalnih vlakana, npr. Rezistentnog škroba, povećava koncentraciju kratkolančanih masnih kiselina, koje pozitivno utječu na epigenom crijevnih epitelnih stanica.

Epigenetika - Polimorfizmi gena MTHFR

Na učinkovitost epigenetskih modifikacija također mogu utjecati genetski polimorfizmi, tj. Male promjene u genomu, čija je posljedica prisutnost različitih genskih varijanti u ljudskoj populaciji.

Jedna od posljedica genetskih polimorfizama je, između ostalih. svačiji različit odgovor na hranjive sastojke.

Procjenjuje se da 15-30% ljudi može imati povećanu potrebu za donatorima metila (posebno folne kiseline) zbog nepovoljnih polimorfizama gena MTHFR, koji kodiraju enzim metilenetetrahidrofolat reduktazu.

Ovaj je enzim odgovoran za pretvaranje folne kiseline u njezin aktivni oblik.

Ljudi s nepovoljnom varijantom polimorfizma gena MTHFR oslabili su pretvorbu neaktivnog oblika folne kiseline u njezin aktivni oblik, 5-metiltetrahidrofolat (5-MTHF), stoga imaju povećanu potrebu za donorima metila.

I premda istraživanje nije jasno potvrdilo da su takvi ljudi možda imali smanjenu metilaciju DNA lanaca, u njihovom slučaju vrijedi obratiti pažnju na odgovarajuću opskrbu prehranom ili dodatnu dopunu davatelja metila poput folne kiseline ili kolina.

Epigenetika - stres

Između ostalih i višak hormona stresa Kortizol može utjecati na epigenetske promjene u živčanom sustavu i povećati rizik od psihijatrijskih poremećaja.

Dokumentirano je da osobe koje pate od anksioznih poremećaja, posttraumatskog stresnog poremećaja, posttraumatskog stresnog poremećaja i depresije imaju karakterističan profil epigenetske modifikacije (uglavnom smanjena metilacija DNA).

Vjeruje se da je takav epigenom oblikovan traumatičnim iskustvima iz djetinjstva i / ili kroničnim stresnim situacijama.

Ovaj se epigenetski profil održava tijekom cijelog života i vjerojatno se prenosi na djecu i unuke (poznato kao ekstra-gensko nasljeđivanje).

Epigenetika - utjecaj na zdravlje

Pogreške tijekom epigenetskih modifikacija, poput utišavanja ekspresije pogrešnog gena, mogu prouzročiti ozbiljne posljedice u funkcioniranju tijela, npr. Uzrokovati rak.

Uz to, sve više i više studija ukazuje da epigenetske modifikacije, osim što sudjeluju u fiziološkim procesima, mogu sudjelovati u razvoju bolesti kao što su:

• autizam
• shizofrenija
• depresija
• kardiovaskularne bolesti
• neurodegenerativne bolesti
• autoimune bolesti
• alergije

Posebno se traži veza između epigenetskih modifikacija, prehrane i rizika od određenih bolesti.

Pokazano je da se značajne epigenetske modifikacije događaju u maternici, što može imati implikacije u odrasloj dobi.

Stoga ono što majka jede tijekom trudnoće može povećati rizik od određenih bolesti, pa čak i utjecati na sljedeću generaciju.

Dokazano je da su djeca majki koje su bile trudne tijekom zime gladi u Nizozemskoj 1944-1945. Godine imala povećani rizik od kardiovaskularnih bolesti, pretilosti i shizofrenije u usporedbi s djecom majki koje nisu gladovale.

U djece gladnih majki utvrđeno je, između ostalog, smanjena metilacija gena koji kodira inzulinu sličan faktor rasta 2 (IGF2).

Vrijedno znati

Postignuća epigenetike trenutno su predmet intenzivnih istraživanja u prehrambenoj znanosti. Postoji čak i nova disciplina koja se bavi utjecajem hranjivih tvari na ekspresiju gena, tj. Nutrigenomikom.

Književnost

1. Moosavi A. i Motevalizadeh A. Uloga epigenetike u biologiji i ljudskim bolestima. Iran Biomed J. 2016, 20 (5), 246-258.
2. Choi S. W. i Friso S. Epigenetika: novi most između prehrane i zdravlja. Adv Nutr. 2010, 1 (1), 8-16.
3. Karabin K. Učinak prehrane na ljudski epigenom ili kako dijeta mijenja gene. Moderna dijetetika 15/2018.
4. Dmitrzak-Węglarz M. i Hauser J. Epigenetski mehanizmi u mentalnim bolestima i kognitivnim poremećajima. Psihijatrija 2009; 6, 2, 51–60.
5. Poczęta M. i sur. Epigenetske modifikacije i ekspresija gena u novotvorini. Ann. Akad. Med. Siles. 2018.72, 80-89.
6. Glad C. i sur. Smanjena metilacija DNK i psihopatologija nakon endogenog hiperkortizolizma - studija koja se odnosi na genom. Znanstvena izvješća 2017, 7, 44445.
7. Shin W. i sur. Unos holina koji premašuje trenutne prehrambene preporuke čuva biljege stanične metilacije u genetskoj podskupini muškaraca ugroženih folatima. J Nutr. 2010, 140, 5, 975–980.

O autoru

Karolina Karabin, dr. Med., Molekularni biolog, laboratorijski dijagnostičar, Cambridge Diagnostics Polska Biolog sa specijalizacijom iz mikrobiologije i laboratorijski dijagnostičar s preko 10 godina iskustva u laboratorijskom radu. Diplomirao je na Fakultetu za molekularnu medicinu i član Poljskog društva za humanu genetiku, voditelj istraživačkih potpora u Laboratoriju za molekularnu dijagnostiku na Odjelu za hematologiju, onkologiju i unutarnje bolesti Medicinskog sveučilišta u Varšavi. Titulu doktora medicinskih znanosti iz područja medicinske biologije obranila je na 1. medicinskom fakultetu Medicinskog sveučilišta u Varšavi. Autor mnogih znanstvenih i popularno-znanstvenih djela iz područja laboratorijske dijagnostike, molekularne biologije i prehrane. Svakodnevno, kao specijalist u području laboratorijske dijagnostike, vodi glavni odjel Cambridge Diagnostics Polska i surađuje s timom dijetetičara na CD-u za prehranu. Svoje praktično znanje o dijagnostici i dijetoterapiji bolesti dijeli sa stručnjacima na konferencijama, treninzima te u časopisima i web stranicama. Posebno je zanima utjecaj suvremenog načina života na molekularne procese u tijelu.

Pročitajte ostale tekstove ovog autora