Може ли диетата да промени гените ни? Могат ли нашите детски травми да засегнат нашите деца и внуци? Отговори на тези въпроси може да даде епигенетиката, т.е.науката, която изучава т.нар епигенетични модификации. В момента епигенетичните модификации се считат за едно от най-важните открития в молекулярната биология, тъй като те позволяват да се разбере връзката между генетичния фон и факторите на околната среда.
Съдържание:
- Епигенетика - какви са епигенетичните модификации?
- Епигенетика - видове епигенетични модификации
- Епигенетика - ролята на епигенетичните модификации
- Епигенетика - диета
- Епигенетика - MTHFR генни полиморфизми
- Епигенетика - стрес
- Епигенетика - въздействие върху здравето
Епигенетиката е клон на науката, който изучава промени в генната експресия, които не се дължат на модификации на последователността в ДНК веригата. Такива модификации се наричат епигенетични и те са вид молекулни маркери, които се добавят към ДНК веригите чрез подходящи ензими, например метилтрансферази.
С помощта на епигенетични модификации тялото може да контролира хода на много ключови биологични процеси, като развитието на отделни тъкани и органи в плода.
Терминът "епигенетика" е използван за първи път от Уодингтън през 1942г. Префиксът "epi-" идва от гръцката дума "горе", което в превод в свободен превод означава нещо, което е над класическата генетика.
Епигенетика - какви са епигенетичните модификации?
Молекулярните маркери, добавени към ДНК верига по време на епигенетична модификация, могат да решат дали даден ген се експресира или не, действайки като молекулни "превключватели" и "превключватели", които регулират експресията на определени гени.
Най-важното е, че такива модификации не променят структурата на ДНК веригата, т.е.не са тип генетична мутация, която е необратима, а нещо, което претърпява динамични промени под въздействието на фактори на околната среда.
В допълнение, подходящи молекулни маркери се добавят или премахват след всяко клетъчно делене и дублиране на ДНК верига.
Следователно всяка клетка има свой характерен модел на молекулярни маркери, който определя нейния специфичен профил на генна експресия. Събирането на такива молекулярни маркери се нарича епигеном.
Най-известната епигенетична модификация е метилирането на ДНК, което се състои в свързване на метилова група към цитозин (основно съединение, което е част от ДНК).
На свой ред обратната епигенетична модификация на метилирането е деметилиране, което се състои в отстраняване на метиловата група от цитозина.
Епигенетика - видове епигенетични модификации
Епигенетичните модификации могат директно да засегнат ДНК веригите:
- ДНК метилиране, т.е.прикрепване на метилови групи към цитозин посредством ДНК метилтрансферази
- ДНК деметилиране, т.е.отстраняване на метиловите групи от цитозина посредством ДНК деметилази
- Освен това се правят епигенетични модификации от протеини, върху които не се навива нищо ДНК, т.е. хистони:
- метилиране на остатъци от лизин и аргинин на хистони с хистон метилтрансферази
- деметилиране на лизинови и аргининови остатъци от хистони с хистонови деметилази
- ацетилиране на остатъци от хистонов лизин с хистонови ацетилтрансферази
- деацетилиране на хистонови лизинови остатъци от хистонова деацетилаза
- фосфорилиране на хистонови серинови остатъци от кинази
- убиквитинация на хистонови лизинови остатъци чрез свързване на убиквитинов протеин към хистони с използването на ензими Е1, Е2 и Е3
- рибозилиране на остатъци от хистонов глутамин и аргинин, включващи свързването на нуклеотиди на ADP-рибоза с използване на полимераза и трансфераза
Нетипична епигенетична модификация е т.нар некодиращи РНК молекули, например микроРНК (miRNA). Те са къси, едноверижни РНК молекули (ДНК-подобни съединения), които могат да регулират генната експресия, като блокират образуването на протеини.
Епигенетика - ролята на епигенетичните модификации
- засилена генна експресия
- заглушаване на генната експресия
- контрол на клетъчната диференциация в организма
- ембрионално развитие
- регулиране на степента на кондензация на хроматин, например инактивиране на Х хромозомата, благодарение на което при жените е активно само едно копие на свързани с пола гени.
Пчелите са интересен пример за ролята на епигенетичната модификация в развитието на животните. При тези насекоми царицата е майка на всички пчели в един кошер, с последствие че всички те имат една и съща ДНК последователност.
Въпреки това в един кошер живеят насекоми, които изглеждат и се държат по различен начин. Работниците са по-малки от кралицата и имат мек нрав, докато войниците са по-едри и агресивни.
Тези разлики са причинени от епигенетични модификации, които определят външния вид и поведението на пчелите, адаптирани към ролята, която играят в кошерната общност.
Подобен механизъм се наблюдава по време на феталното развитие на животните, когато заглушаването и засилването на експресията на специфични гени засяга съдбата на дадена стволова клетка, било то мозъчна нервна клетка или стомашна епителна клетка.
Епигенетика - диета
Епигенетичните модификации се случват още по време на живота на плода и след това могат да претърпят динамични промени през целия живот под въздействието на фактори на околната среда.
Един от най-важните фактори, влияещи върху формата на епигенома, е храната и нейните биоактивни вещества.
Влиянието на диетата върху епигенетичните модификации е потвърдено в много предклинични и клинични проучвания.
Има поне два механизма, чрез които диетата може да повлияе на епигенетичната модификация, главно на процеса на метилиране:
- чрез промяна на наличността на донори на метил като S-аденозилметионин (SAM), който се синтезира в цикъла на метионин от няколко прекурсори, присъстващи в храната, включително метионин, холин и неговото производно бетаин, фолиева киселина и витамини B2, B6 и B12. Следователно, намалената наличност на тези съединения може да доведе до намален синтез на SAM и нарушаване на процеса на метилиране
- чрез модулиране на активността на ензимите, свързани с процеса на метилиране (напр. DNMT метилтрансфераза) чрез консумация на полифеноли, съдържащи се в плодове, зеленчуци и подправки. Примери за такива съединения са ресвератрол в червено вино, епигалокатехин галат (EGCG) в зелен чай, куркумин в коренище на куркума, генистеин в соя, сулфорафан в броколи, кверцетин в цитрусови плодове и елда
Ефектът от диетата върху епигенома in utero е документиран от известния експеримент върху лабораторни мишки "agouti", които се характеризират с жълт цвят на козината и предразположение към затлъстяване, диабет и рак.
Жълтият цвят на козината при тези мишки е своеобразен индикатор за недостатъчно метилиране на гените.
В експеримента, бременни мишки "agouti" са хранени с храна с високо съдържание на метилни донори, наред с други. фолиева киселина и холин.
За изненада на учените, потомството на тези мишки не приличаше на родителите си. Първата забележима черта беше промяната в цвета на козината до кафяв, но най-изненадващото беше, че мишките загубиха предразположението си към болести, от които страдат родителите им.
Оказа се, че това е следствие от модифицирана диета и възстановяване на нормалното метилиране на ДНК.
Тези наблюдения подкрепят факта, че епигеномът може да бъде променен чрез диета и може да има далечни последици за здравето.
През последните години също се демонстрира значителна роля на чревната микробиота в процеса на епигенетична модификация.
Чревните микроорганизми произвеждат различни биоактивни вещества, например късоверижни мастни киселини и тяхното количество зависи от видовия състав на микробиотата и качеството на диетата.
Високото количество пребиотични продукти в диетата, като разтворими диетични фибри, например устойчиво нишесте, увеличава концентрацията на късоверижни мастни киселини, които влияят положително върху епигенома на чревните епителни клетки.
Епигенетика - MTHFR генни полиморфизми
Ефективността на епигенетичните модификации може също да бъде повлияна от генетични полиморфизми, т.е. малки промени в генома, следствие от които е наличието на различни генни варианти в човешката популация.
Една от последиците от генетичните полиморфизми е, наред с други. различната реакция на всеки към хранителните вещества.
Изчислено е, че 15-30% от хората могат да имат повишена нужда от донори на метил (особено фолиева киселина) поради неблагоприятни полиморфизми на гена MTHFR, който кодира ензима метилентетрахидрофолат редуктаза.
Този ензим е отговорен за превръщането на фолиевата киселина в нейната активна форма.
Хората с неблагоприятен вариант на MTHFR генния полиморфизъм са нарушили превръщането на неактивната форма на фолиева киселина в нейната активна форма 5-метилтетрахидрофолат (5-MTHF), поради което имат повишена нужда от донори на метил.
И въпреки че изследванията не са потвърдили ясно, че такива хора може да са намалили метилирането на ДНК вериги, в техния случай си струва да се обърне внимание на адекватно снабдяване с диета или допълнителни добавки на донори на метил като фолиева киселина или холин.
Епигенетика - стрес
Излишък от хормони на стреса, наред с други кортизолът може да повлияе на епигенетичните модификации на нервната система и да увеличи риска от психични разстройства.
Документирано е, че хората, страдащи от тревожни разстройства, посттравматично стресово разстройство, посттравматично стресово разстройство и депресия, имат характерен профил на епигенетична модификация (главно намалено метилиране на ДНК).
Смята се, че такъв епигеном се формира от травматични преживявания в детството и / или хронични стресови ситуации.
Този епигенетичен профил се поддържа през целия им живот и вероятно се предава на деца и внуци (известно като екстрагенно наследяване).
Епигенетика - въздействие върху здравето
Грешките по време на епигенетични модификации, като заглушаване на експресията на грешен ген, могат да доведат до сериозни последици във функционирането на тялото, например да причинят рак.
Освен това, все повече изследвания показват, че епигенетичните модификации, освен че участват във физиологични процеси, могат да участват в развитието на заболявания като:
- аутизъм
- шизофрения
- депресия
- сърдечно-съдови заболявания
- невродегенеративни заболявания
- автоимунни заболявания
- алергии
Особено се търси връзката между епигенетичните модификации, диетата и риска от специфични заболявания.
Доказано е, че се появяват значителни епигенетични модификации вътреутробно, което може да има последици в зряла възраст.
Следователно това, което майката яде по време на бременност, може да увеличи риска от някои заболявания и дори да засегне следващото поколение.
Доказано е, че децата на майки, които са били бременни по време на гладната зима в Холандия през 1944-1945 г., са имали повишен риск от сърдечно-съдови заболявания, затлъстяване и шизофрения в сравнение с деца на майки, които не са изпитвали глад.
При деца на гладни майки е открит намалено метилиране на гена, кодиращ инсулиноподобен растежен фактор 2 (IGF2).
Заслужава си да се знаеПостиженията на епигенетиката в момента са обект на интензивни изследвания в областта на хранителната наука. Има дори нова дисциплина, занимаваща се с влиянието на хранителните вещества върху генната експресия, т.е. нутригеномика.
Литература
- Moosavi A. и Motevalizadeh A. Роля на епигенетиката в биологията и човешките болести. Iran Biomed J. 2016, 20 (5), 246-258.
- Чой С. У. и Фрисо С. Епигенетика: Нов мост между храненето и здравето. Adv Nutr. 2010, 1 (1), 8-16.
- Карабин К. Влиянието на диетата върху човешкия епигеном или как диетата променя гените. Съвременна диететика 15/2018.
- Dmitrzak-Węglarz M. и Hauser J. Епигенетични механизми при психични заболявания и когнитивни разстройства. Психиатрия 2009; 6, 2, 51–60.
- Poczęta M. et al.Епигенетични модификации и генна експресия в неоплазма. Ан. Акад. Med. Силес. 2018.72, 80-89.
- Glad C. et al. Намалено метилиране на ДНК и психопатология след ендогенен хиперкортизолизъм - изследване, обхващащо целия геном. Научни доклади 2017, 7, 44445.
- Shin W. et al. Приемът на холин, надвишаващ настоящите диетични препоръки, запазва маркери за клетъчно метилиране в генетична подгрупа на фолати, компрометирани мъже. J Nutr. 2010, 140, 5, 975–980.
Прочетете други текстове от този автор
