Может ли диета изменить наши гены? Могут ли наши детские травмы повлиять на наших детей и внуков? Ответы на эти вопросы может дать эпигенетика, то есть наука, изучающая так называемые эпигенетические модификации. В настоящее время эпигенетические модификации считаются одним из самых важных открытий в молекулярной биологии, поскольку они позволили понять взаимосвязь между генетическим фоном и факторами окружающей среды.
Оглавление:
- Эпигенетика - что такое эпигенетические модификации?
- Эпигенетика - виды эпигенетических модификаций
- Эпигенетика - роль эпигенетических модификаций
- Эпигенетика - диета
- Эпигенетика - полиморфизмы гена MTHFR
- Эпигенетика - стресс
- Эпигенетика - влияние на здоровье
Эпигенетика - это отрасль науки, изучающая изменения в экспрессии генов, которые не связаны с модификациями последовательности в цепи ДНК. Такие модификации называются эпигенетическими модификациями, и они представляют собой тип молекулярных маркеров, которые добавляются к цепям ДНК соответствующими ферментами, например метилтрансферазами.
С помощью эпигенетических модификаций организм может контролировать ход многих ключевых биологических процессов, таких как развитие отдельных тканей и органов у плода.
Термин «эпигенетика» впервые был использован Уоддингтоном в 1942 году. Приставка «эпи-» происходит от греческого слова «выше», что в вольном переводе означает нечто стоящее за пределами классической генетики.
Эпигенетика - что такое эпигенетические модификации?
Молекулярные маркеры, добавленные к цепи ДНК во время эпигенетической модификации, могут определять, экспрессируется ли данный ген или нет, действуя как молекулярные «переключатели» и «переключатели», которые регулируют экспрессию определенных генов.
Наиболее важно то, что эти типы модификаций не изменяют структуру цепи ДНК, то есть они не являются необратимой генетической мутацией, а подвергаются динамическим изменениям под влиянием факторов окружающей среды.
Кроме того, соответствующие молекулярные маркеры добавляются или удаляются после каждого деления клетки и дупликации цепи ДНК.
Следовательно, каждая клетка имеет свой собственный характерный паттерн молекулярных маркеров, который определяет профиль ее специфической экспрессии гена. Набор таких молекулярных маркеров называется эпигеномом.
Самая известная эпигенетическая модификация - это метилирование ДНК, которое заключается в присоединении метильной группы к цитозину (основное соединение, входящее в состав ДНК).
В свою очередь, эпигенетическая модификация, обратная метилированию, - это деметилирование, которое заключается в удалении метильной группы из цитозина.
Эпигенетика - виды эпигенетических модификаций
Эпигенетические модификации могут напрямую влиять на цепи ДНК:
- Метилирование ДНК, т.е. присоединение метильных групп к цитозину с помощью ДНК-метилтрансфераз.
- Деметилирование ДНК, то есть удаление метильных групп из цитозина с помощью ДНК-деметилаз
- Кроме того, производятся эпигенетические модификации белков, на которых ничего не намотано ДНК, то есть гистонов:
- метилирование остатков лизина и аргинина гистонов гистоновыми метилтрансферазами
- деметилирование остатков лизина и аргинина гистонов гистоновыми деметилазами
- ацетилирование остатков гистонового лизина ацетилтрансферазами гистонов
- деацетилирование остатков гистонового лизина гистоновой деацетилазой
- фосфорилирование гистоновых остатков серина киназами
- убиквитинирование остатков гистонового лизина путем присоединения белка убиквитина к гистонам с использованием ферментов E1, E2 и E3
- рибозилирование гистоновых остатков глутамина и аргинина с присоединением нуклеотидов АДФ-рибозы с использованием полимеразы и трансферазы
Атипичная эпигенетическая модификация - это так называемая некодирующие молекулы РНК, например микроРНК (миРНК). Это короткие одноцепочечные молекулы РНК (ДНК-подобные соединения), которые могут регулировать экспрессию генов, блокируя образование белков.
Эпигенетика - роль эпигенетических модификаций
- усиленная экспрессия генов
- подавление экспрессии гена
- контроль дифференцировки клеток в организме
- эмбриональное развитие
- регуляция степени конденсации хроматина, например, инактивация Х-хромосомы, благодаря которой у женщин активна только одна копия сцепленных с полом генов.
Пчелы - интересный пример роли эпигенетической модификации в развитии животных. У этих насекомых матка является матерью всех пчел в одном улье, в результате чего все они имеют одинаковую последовательность ДНК.
Даже в этом случае в одном улье обитают насекомые, которые выглядят и ведут себя по-разному. Рабочие меньше королевы и обладают мягким характером, а солдаты крупнее и агрессивны.
Эти различия вызваны эпигенетическими модификациями, которые определяют внешний вид и поведение пчел, адаптированных к той роли, которую они играют в сообществе улья.
Похожий механизм наблюдается во время внутриутробного развития животных, когда подавление и усиление экспрессии определенных генов влияет на судьбу данной стволовой клетки, будь то нервная клетка мозга или эпителиальная клетка желудка.
Эпигенетика - диета
Эпигенетические модификации происходят уже во время жизни плода, а затем могут претерпевать динамические изменения на протяжении всей жизни под влиянием факторов окружающей среды.
Одним из наиболее важных факторов, влияющих на форму эпигенома, является пища и ее биологически активные вещества.
Влияние диеты на эпигенетические модификации было подтверждено во многих доклинических и клинических исследованиях.
Существует как минимум два механизма, с помощью которых диета может влиять на эпигенетические модификации, в основном на процесс метилирования:
- путем изменения доступности доноров метила, таких как S-аденозилметионин (SAM), который синтезируется в цикле метионина из нескольких предшественников, присутствующих в пище, включая метионин, холин и его производное бетаин, фолиевую кислоту и витамины B2, B6 и B12. Следовательно, снижение доступности этих соединений может привести к снижению синтеза SAM и нарушению процесса метилирования.
- путем модулирования активности ферментов, связанных с процессом метилирования (например, метилтрансферазы DNMT), посредством потребления полифенолов, содержащихся во фруктах, овощах и специях. Примерами таких соединений являются ресвератрол в красном вине, эпигаллокатехин галлат (EGCG) в зеленом чае, куркумин в корневище куркумы, генистеин в соевых бобах, сульфорафан в брокколи, кверцетин в цитрусовых и гречихе.
Влияние диеты на эпигеном в утробе матери было подтверждено в знаменитом эксперименте на лабораторных мышах "агути", которые характеризуются желтым цветом шерсти и предрасположенностью к ожирению, диабету и раку.
Желтый цвет шерсти у этих мышей является своеобразным индикатором недостаточного метилирования генов.
В эксперименте беременных мышей «агути» кормили, среди прочего, пищей с высоким содержанием доноров метильных групп. фолиевая кислота и холин.
К удивлению ученых, потомство этих мышей не походило на своих родителей. Первым заметным признаком было изменение цвета шерсти на коричневый, но самым удивительным было то, что мыши утратили предрасположенность к заболеваниям, от которых страдали их родители.
Как оказалось, это было следствием измененной диеты и восстановления нормального метилирования ДНК.
Эти наблюдения подтверждают тот факт, что эпигеном может быть изменен диетой и может иметь далеко идущие последствия для здоровья.
В последние годы также была продемонстрирована значительная роль микробиоты кишечника в процессе эпигенетической модификации.
Микроорганизмы кишечника продуцируют различные биологически активные вещества, например короткоцепочечные жирные кислоты, и их количество зависит от видового состава микробиоты и качества рациона.
Большое количество пребиотических продуктов в рационе, таких как растворимые пищевые волокна, например резистентный крахмал, увеличивает концентрацию короткоцепочечных жирных кислот, которые положительно влияют на эпигеном эпителиальных клеток кишечника.
Эпигенетика - полиморфизмы гена MTHFR
На эффективность эпигенетических модификаций также могут влиять генетические полиморфизмы, то есть небольшие изменения в геноме, следствием которых является наличие различных вариантов генов в человеческой популяции.
Среди прочего, одним из последствий генетического полиморфизма является. у всех разная реакция на питательные вещества.
Подсчитано, что 15-30% людей могут иметь повышенную потребность в донорах метила (особенно фолиевой кислоте) из-за неблагоприятного полиморфизма гена MTHFR, кодирующего фермент метилентетрагидрофолатредуктазу.
Этот фермент отвечает за превращение фолиевой кислоты в активную форму.
У людей с неблагоприятным вариантом полиморфизма гена MTHFR нарушена конверсия неактивной формы фолиевой кислоты в ее активную форму 5-метилтетрагидрофолата (5-MTHF), следовательно, у них повышенная потребность в донорах метила.
И хотя исследования не подтвердили однозначно, что у таких людей может быть сниженное метилирование цепей ДНК, в их случае стоит обратить внимание на достаточное количество в рационе или дополнительные добавки метильных доноров, таких как фолиевая кислота или холин.
Эпигенетика - стресс
Избыточные гормоны стресса, среди прочего Кортизол может повлиять на эпигенетические модификации нервной системы и увеличить риск психических расстройств.
Документально подтверждено, что люди, страдающие тревожными расстройствами, посттравматическим стрессовым расстройством, посттравматическим стрессовым расстройством и депрессией, имеют характерный профиль эпигенетической модификации (в основном сниженное метилирование ДНК).
Считается, что такой эпигеном сформирован детскими травматическими переживаниями и / или хроническими стрессовыми ситуациями.
Этот эпигенетический профиль сохраняется у них на протяжении всей их жизни и, вероятно, передается детям и внукам (так называемое экстрагенное наследование).
Эпигенетика - влияние на здоровье
Ошибки во время эпигенетических модификаций, такие как подавление экспрессии неправильного гена, могут вызвать серьезные последствия для функционирования организма, например, вызвать рак.
Кроме того, все больше и больше исследований показывают, что эпигенетические модификации, помимо участия в физиологических процессах, могут участвовать в развитии таких заболеваний, как:
- аутизм
- шизофрения
- депрессия
- сердечно-сосудистые заболевания
- нейродегенеративные заболевания
- аутоиммунные заболевания
- аллергия
В частности, исследуется взаимосвязь между эпигенетическими модификациями, диетой и риском конкретных заболеваний.
Было показано, что значительные эпигенетические модификации происходят в утробе матери, что может иметь значение во взрослом возрасте.
Следовательно, то, что ест мать во время беременности, может увеличить риск определенных заболеваний и даже повлиять на следующее поколение.
Было доказано, что дети матерей, которые были беременны во время голодной зимы в Нидерландах в 1944-1945 годах, имели повышенный риск сердечно-сосудистых заболеваний, ожирения и шизофрении по сравнению с детьми матерей, которые не испытывали голода.
У детей голодных матерей было обнаружено, среди прочего, снижение метилирования гена, кодирующего инсулиноподобный фактор роста 2 (IGF2).
Стоит знатьРазвитие эпигенетики в настоящее время является предметом интенсивных исследований в области диетологии. Есть даже новая дисциплина, изучающая влияние питательных веществ на экспрессию генов, то есть нутригеномика.
Литература
- Мусави А. и Мотевализаде А. Роль эпигенетики в биологии и болезнях человека. Иран Биомед Дж. 2016, 20 (5), 246-258.
- Чой С. В. и Фризо С. Эпигенетика: новый мост между питанием и здоровьем. Adv Nutr. 2010, 1 (1), 8-16.
- Карабин К. Влияние диеты на эпигеном человека, или как диета меняет гены. Современная диетология 15/2018.
- Дмитрзак-Венгларц М. и Хаузер Дж. Эпигенетические механизмы при психических заболеваниях и когнитивных расстройствах. Психиатрия 2009; 6, 2, 51–60.
- Poczęta M. и др. Эпигенетические модификации и экспрессия генов в новообразовании. Энн. Акад. Med. Силы. 2018.72, 80-89.
- Глад С. и др. Снижение метилирования ДНК и психопатологии после эндогенного гиперкортизолизма - исследование в масштабе всего генома. Научные отчеты 2017, 7, 44445.
- Shin W. et al. Потребление холина, превышающее текущие диетические рекомендации, сохраняет маркеры клеточного метилирования в генетической подгруппе мужчин с нарушением фолиевой кислоты. J Nutr. 2010, 140, 5, 975–980.
Прочитать другие тексты этого автора
