За умови, що наші гени визначають наш ріст, зовнішній вигляд, наше функціонування та розвиток хвороб - як можливо, що двоє людей з однаковим генетичним розпорядженням, напр. однояйцеві близнюки, не завжди мають однаковий вигляд або навіть однакові хвороби?
Основною причиною є взаємодія нашого середовища та способу життя з нашим геномом.
Хоча сам генетичний код кожної людини незмінний (крім мутацій), на спосіб його вираження може впливати наше оточення.
Це те, що ми називаємо епігенетикою: спадкові зміни в експресії генів, які не супроводжуються змінами послідовності ДНК.
Як діє епігенетика?
Хоча генетика описує передачу послідовності ДНК всередині гена наступному поколінню, епігенетика може розглядатися як передача способу використання генів. Щоб зробити аналогію, подумайте про концерт: в той час як генетика описує інструменти, які вам успадковуються, епігенетика - музику, яка з ними грає. Він описує процеси, які впливають на те, які гени вмикаються, або говорять молекулярно, що „експресується”.
Ми знаємо, що існує один механізм роботи епігенетики додавання та видалення метильних груп до ДНК, що дає інформацію про те, чи слід ген вмикати чи вимикати. Метильна група використовується для модифікації цитозину, однієї з чотирьох основ, що складають генетичний код нашої ДНК. Цитозин метилюється ферментами, які називаються ДНК-метилтрансферазами (DNMT), а потім називається 5-метилцитозином. Загалом, можна сказати, що велика кількість метильованих Cs в ДНК гена вимикає його, тобто це не буде експресовано.
ДНК рослинних і тваринних клітин упакована навколо білків, і цей комплекс називається хроматином. Усередині хроматину подвійна спіраль ДНК обертається навколо білків гістонів, і ця структура називається нуклеосомою. Хроматин складається з нитки нуклеосом, яка складається і утримується разом за допомогою подальших білків. Іншим епігенетичним механізмом є модифікація гістонів через ацетильні групи або метильні групи, і деякі форми РНК, такі як мікроРНК (мРНК) і малі заважають РНК (siРНК), беруть участь у модифікації структури хроматину, яка вирішує, вмикати чи вимикати основний ген. Подібно до регулювання метилювання, ацетилювання регулюється ферментами: гистон-ацетилтрансферазами, які додають ацетильні групи, і гістоновими деацетилазами (HDAC), які їх видаляють.
За допомогою епігенетичного процесу, такого як метилювання або ацетилювання, один із двох алелів типової пари генів може замовкнути, тобто він не буде виражений. Це стає проблемою, якщо виражений алель пошкоджений або містить варіант, що підвищує вразливість організму до певних факторів навколишнього середовища. Встановлено, що метилювання ДНК бере участь у різних захворюваннях та станах здоров’я, включаючи рак.
До цього часу виявлено багато інших типів епігенетичних процесів. Вони включають не тільки метилювання та ацетилювання, але напр. також фосфорилювання, убіквітинування та SUMOylation.
Де саме зв’язок між генетикою та нашим середовищем?
Сьогодні найрізноманітніші захворювання та поведінка пов’язані з епігенетичними механізмами, зокрема рак, когнітивна дисфункція, серцево-судинні захворювання, репродуктивні дисфункції, аутоімунні захворювання та неврологічні захворювання. Екологічні агенти, такі як важкі метали, пестициди, тютюновий дим, поліциклічні ароматичні вуглеводні, гормони, радіоактивність, віруси та бактерії, є відомими або підозрюваними чинниками епігенетичних процесів, а також включають поживні речовини та вторинні рослинні сполуки.
Довгий час вважалося, що наші гени визначають наше здоров’я, і що коли ми дізнаємося про свій генетичний код, генетичні захворювання стануть минулим. Було підраховано, що існуватиме щонайменше 100 000 генів, які компенсують складність людських істот, але після завершення проекту генома людини дослідники виявили, що у людини налічується лише близько 20 000 генів - дуже мала кількість, враховуючи, що нематодних черв'яків також близько 20000, винограду - близько 30000, а помідорів - майже 32000, і що ми ділимо 98 відсотків генетичної послідовності з шимпанзе та 70 відсотків з глистами глибокого моря (приблизно 14000 генів ) (1). Це було шоком, і ми повинні були усвідомити, що не лише гени визначають наш розвиток.
Найпотужнішим прикладом цієї знахідки є розвиток медоносних бджіл (два). Тоді як робочі бджоли та бджолині матки не тільки відрізняються своїм фенотипом, наприклад за розміром матка також відкладає яйця, поки робочі бджоли стерильні. Незважаючи на це, королева та робітники генетично ідентичні. Але де полягає різниця тоді, якщо не в їх генетичному коді?
Відповідь - харчування, а точніше маточне молочко, секрет, який подається деяким личинкам, що розвиваються, в результаті чого ці личинки стають королевами, а не робочими. Щоб побачити, як це працює, нам слід повернутися до ацетилювання та метилювання та їх впливу на експресію генів. Було встановлено, що маточне молочко містить інгібітор гістондеацетилази (HDAC), що зупиняє ферменти, які зазвичай видаляють ацетилові мітки з гістонів, і вважається, що це процес, який включає гени, необхідні для розвитку маточника. Але дослідження також виявили інший механізм: коли вони зменшували кількість метильної групи, додаючи фермент DNMT у личинках, вони також перетворювались на маток, навіть якщо вони не отримували маточне молочко. У цьому випадку менша кількість метилових міток призвело до експресії генів, що призвело до розвитку личинок у маток.
Як ми можемо впливати на наші гени за допомогою дієти?
Є слово для цього
Розвиток медоносних бджіл є потужним прикладом того, чому харчування є одним із факторів способу життя, які мають величезний вплив на ваші гени. Різні дослідження на людях, тваринах та культурах клітин продемонстрували, що макроелементи, наприклад жирні кислоти, мікроелементи, такі як вітаміни, та вторинні рослинні сполуки (такі як флавоноїди, каротиноїди, кумарини та фітостерини), які в природі містяться в продуктах харчування, беруть безпосередню участь у метаболічних реакціях і навіть регулюють експресію генів.
Це відкриття призвело до еволюція галузі нутрігеноміки: вивчення впливу їжі та компонентів їжі на експресію генів. Не тільки їжа впливає на наші гени, але й наші індивідуальні генетичні варіації також визначають, як ця їжа метаболізується. Нутрігеноміка намагається знайти відповіді на те, як конкретні поживні речовини або дієтичні режими можуть вплинути на здоров’я людини.
Голодування матері та здоров’я її дітей
Однією з перших дискусій про взаємозв'язок харчування, генів і хвороб було розпочато спостереженнями Голландська когорта народження голоду, що складається з осіб, які народилися під час голодомору під час війни взимку 1944/45 рр. та їх відповідний контроль (3).
За допомогою цієї когорти це було можливо вивчіть, як зміни в харчуванні матері під час вагітності впливають на ризик потомства для метаболічних та серцево-судинних захворювань у зрілому віці. У період вагітності, коли відбувається програмування плоду, були виявлені критичні часові вікна. Наприклад, низька маса тіла при народженні була виявлена при впливі голоду в 3 триместрі, а висока вага при народженні при впливі на голод у 1 триместрі, а пренатальний вплив призвів до вищої поширеності порушення обміну глюкози та діабет 2 типу у зрілому віці (4). Стійкі епігенетичні відмінності були пов’язані з пренатальним впливом голоду (5). Метилювання гена інсуліноподібного фактора росту 2 (IGF2) є модулятором росту та розвитку плода новонародженого, і можна було побачити, що в голодній когорті відбулося менше метилювання гена IGF2 у порівнянні з неекспонованими одностатевими братами та сестрами (6).
Які продукти здатні змінити нашу епігенетику?
Хоча ми не впливаємо на дієту нашої матері, хороша новина полягає в тому, що ми, здається, можемо індукує епігенетичні зміни ми самі. Середземноморська дієта, яка продемонструвала сприятливий вплив на серцево-судинний ризик, підвищений артеріальний тиск, запалення та інші ускладнення, пов’язані з ожирінням, була досліджена шляхом рандомізованого контрольованого дослідження, щоб з’ясувати, чи дотримання цієї дієти пов’язане зі зміною статусу метилювання клітини периферичної крові. Було встановлено, що дотримання середземноморської дієти з високим вмістом овочів, оливкової олії та низьким вмістом м’ясних продуктів пов’язане з метилюванням генів, пов’язаних із запаленням з потенційним регуляторним впливом (7). Інше дослідження показало, що завдяки інтенсивній зміні харчування та способу життя у чоловіків із підвищеним ризиком раку передміхурової залози були виявлені значні епігенетичні модуляції білкового обміну та модифікації, внутрішньоклітинний рух білків та фосфорилювання білка. Оскільки ці біологічні процеси відіграють вирішальну роль у пухлинному розвитку, зміни харчування та способу життя можуть модулювати експресію генів у простаті (8).
Але як це можливо?
Деякі біохімікати харчових продуктів, напр. геністеїн, компонент сої; ресвератрол, фітоалексин, що міститься в червоному винограді та червоному вині; або сульфорафан, ізотіоціанат, що виробляється хрестоцвітними овочами, такими як брокколі, є лігандами факторів транскрипції і, отже, безпосередньо змінюють експресію генів та впливають на шляхи в межах клітинного циклу. Було встановлено, що вони регулюють експресію та ферментативну активність ДНК-метилтрансфераз (DNMT) та гістонових деацетилаз (HDACs), важливих ферментів, що активують та приглушують специфічні гени, які беруть участь у старінні та утворенні раку (9) (10) (11).
Як бактерії впливають на наш епігеном?
Але існує ще один механізм:
Дієта також впливає на мікробіом кишечника, кількість бактерій у нашому кишечнику та мікробіом кишечника, навпаки, змінюють дієтичний вплив таким чином, що впливає на його господаря. Кишкові бактерії метаболізують макроелементи, як спеціалісти, так і в консорціумах бактерій, за допомогою різноманітних метаболічних шляхів. Мікробні метаболіти дієти також можуть бути епігенетичними активаторами експресії генів що, наприклад, може впливати на ризик раку товстої кишки у людини, наприклад, на вироблення бутирату з клітковини (12), або змінюючи пул сполук, що використовуються для модифікації, або безпосередньо інгібуючи ферменти, що беруть участь у епігенетичних шляхах. Епітелій товстої кишки негайно піддається цим метаболітам, хоча деякі метаболіти також виявляються в системному кровообігу.
Мікробіом людини надзвичайно персоналізований, а отже, і його вплив на епігенетичні процеси господаря (13). Це може пояснити, що навіть коли два абсолютно однакові організми зазнають однакових умов навколишнього середовища, їх епігенетична регуляція все одно може бути різною через різну метаболічну активність їх особистих мікробіомів. Досі мало розуміння та досліджень щодо того, як мікробіом людини модулює епігенетичні процеси господаря прямо чи опосередковано, але існує великий потенціал у вивченні двох полів разом.
Подібним чином в даний час дослідники намагаються надати дієтичні рекомендації щодо безпосереднього впливу на мікробіом та його вплив на здоров’я людини. Ан індивідуальна дієтотерапія, орієнтована на епігеном це одна бажана мета. Ми тільки починаємо виявляти вплив певних продуктів на епігенетичні шляхи та пов'язану з ними патологію.
Захоплюючі результати досліджень обов’язково прийдуть!
Ця стаття є частиною серії "Сила харчування".