Epigenetika - skrivnosti dedovanja. Epigenetika in rak, prehrana in avtizem

Lahko prehrana spremeni naše gene? Ali lahko naše otroške travme vplivajo na naše otroke in vnuke? Odgovore na ta vprašanja lahko da epigenetika, torej znanost, ki preučuje t.i. epigenetske spremembe. Trenutno veljajo epigenetske modifikacije za eno najpomembnejših odkritij v molekularni biologiji, saj so omogočile razumevanje razmerja med genetskim ozadjem in okoljskimi dejavniki.

Kazalo:

1. Epigenetika - kaj so epigenetske modifikacije?
2. Epigenetika - vrste epigenetskih modifikacij
3. Epigenetika - vloga epigenetskih sprememb
4. Epigenetika - prehrana
5. Epigenetika - polimorfizmi genov MTHFR
6. Epigenetika - stres
7. Epigenetika - vpliv na zdravje

Epigenetika je veja znanosti, ki preučuje spremembe v izražanju genov, ki niso posledica sprememb zaporedja v verigi DNA. Takšne modifikacije se imenujejo epigenetske modifikacije in so vrsta molekularnih markerjev, ki jih verigam DNA dodajo ustrezni encimi, npr. Metiltransferaze.

S pomočjo epigenetskih sprememb lahko telo nadzoruje potek številnih ključnih bioloških procesov, kot je razvoj določenih tkiv in organov v maternici.

Izraz "epigenetika" je Waddington prvič uporabil leta 1942. Predpona "epi-" izhaja iz grške besede "zgoraj", kar v ohlapnem prevodu pomeni nekaj, kar je nad klasično genetiko.

Epigenetika - kaj so epigenetske modifikacije?

Molekularni markerji, dodani verigi DNA med epigenetsko modifikacijo, lahko odločajo, ali se gen izraža ali ne, in delujejo kot molekularna "stikala" in "stikala", ki uravnavajo izražanje določenih genov.

Najpomembneje je, da te vrste modifikacij ne spremenijo strukture verige DNA, torej niso vrsta genske mutacije, ki je nepovratna, ampak nekaj, kar se pod vplivom okoljskih dejavnikov spreminja dinamično.

Poleg tega se po vsaki delitvi celic in podvajanju verige DNA dodajo ali odstranijo ustrezni molekularni markerji.

Zato ima vsaka celica svoj značilen vzorec molekularnih markerjev, ki določa njen poseben profil izražanja genov. Zbirka tovrstnih molekularnih markerjev se imenuje epigenom.

Najbolj znana epigenetska modifikacija je metilacija DNA, ki je sestavljena iz vezave metilne skupine na citozin (osnovna spojina, ki je del DNA).

Po drugi strani pa je povratna epigenetska sprememba metilacije demetilacija, ki je sestavljena iz odstranjevanja metilne skupine iz citozina.

Epigenetika - vrste epigenetskih modifikacij

Epigenetske spremembe lahko neposredno vplivajo na verige DNA:

• Metilacija DNA, to je vezava metilnih skupin na citozin s pomočjo metiltransferaz DNA
• Demetilacija DNA, tj. Odstranjevanje metilnih skupin iz citozina s pomočjo demetilaz DNA
• Poleg tega se epigenetske modifikacije naredijo na beljakovinah, na katerih ni navita nič DNA, tj. Histoni:
• metilacija ostankov lizina in arginina histonov s histon metiltransferazami
• demetilacija lizinskih in argininskih ostankov histonov z histonskimi demetilazami
• acetilacija ostankov histon lizina s histon acetiltransferazami
• deacetilacija histonskih ostankov lizina s histon deacetilazo
• fosforilacija histonskih ostankov serina s kinazami
• ubikvitinacija ostankov histonskega lizina z vezavo beljakovin ubikvitina na histone z uporabo encimov E1, E2 in E3
• ribozilacija histonskih ostankov glutamina in arginina, ki vključuje vezavo nukleotidov ADP-riboze z uporabo polimeraze in transferaze

Atipična epigenetska modifikacija je tako imenovana nekodirajoče molekule RNA, npr. mikroRNA (miRNA). So kratke, enoverižne molekule RNA (DNA podobne spojine), ki lahko uravnavajo izražanje genov z blokiranjem tvorbe beljakovin.

Epigenetika - vloga epigenetskih sprememb

• izboljšana ekspresija genov
• utišanje ekspresije genov
• nadzor diferenciacije celic v telesu
• embrionalni razvoj
• uravnavanje stopnje kondenzacije kromatina, npr.inaktivacija X-kromosoma, zaradi česar je pri ženskah aktivna le ena kopija genov, vezanih na spol.

Čebele so zanimiv primer vloge epigenetske modifikacije pri razvoju živali. Pri teh žuželkah je kraljica mati vseh čebel v enem panju, kar ima za posledico, da imajo vse enako zaporedje DNK.

Kljub temu en panj naseljujejo žuželke, ki so videti in se obnašajo drugače. Delavci so manjši od kraljice in imajo blago naravo, medtem ko so vojaki večji in agresivni.

Te razlike povzročajo epigenetske spremembe, ki določajo videz in vedenje čebel, prilagojenih vlogi, ki jo imajo v panjski skupnosti.

Podoben mehanizem opazimo med fetalnim razvojem živali, ko utišanje in povečanje izražanja določenih genov vpliva na usodo dane matične celice, ne glede na to, ali gre za možgansko živčno celico ali želodčno epitelijsko celico.

Epigenetika - prehrana

Epigenetske spremembe se pojavijo že med fetalnim življenjem, nato pa se lahko pod vplivom okoljskih dejavnikov skozi življenje spreminjajo.

Eden najpomembnejših dejavnikov, ki vplivajo na obliko epigenoma, je hrana in njene bioaktivne snovi.

Vpliv prehrane na epigenetske spremembe je bil potrjen v številnih predkliničnih in kliničnih študijah.

Obstajata vsaj dva mehanizma, s katerimi lahko prehrana vpliva na epigenetsko modifikacijo, predvsem na proces metilacije:

• s spreminjanjem razpoložljivosti darovalcev metila, kot je S-adenozilmetionin (SAM), ki se sintetizira v metioninskem ciklusu iz več predhodnih sestavin v hrani, vključno z metioninom, holinom in njegovim derivatom betainom, folno kislino in vitamini B2, B6 in B12. Zato lahko zmanjšana razpoložljivost teh spojin povzroči manjšo sintezo SAM in motnje procesa metilacije
• z modulacijo aktivnosti encimov, povezanih s postopkom metilacije (npr. DNMT metiltransferaza) z uživanjem polifenolov, ki jih vsebujejo sadje, zelenjava in začimbe. Primeri takšnih spojin so resveratrol v rdečem vinu, epigalokatehin galat (EGCG) v zelenem čaju, kurkumin v koreniki kurkume, genistein v soji, sulforafan v brokoliju, kvercetin v agrumih in ajdi

Vpliv prehrane na epigenom v maternici je dokumentiral slavni eksperiment na laboratorijskih miših "agouti", za katere je značilna rumena barva plašča in nagnjenost k debelosti, diabetesu in raku.

Rumena barva krzna pri teh miših je nekakšen pokazatelj nezadostne metilacije genov.

V poskusu so bile noseče miši "agouti" med drugim krmljene s krmo z visoko vsebnostjo darovalcev metila. folna kislina in holin.

Na presenečenje znanstvenikov potomci teh miši niso bili podobni svojim staršem. Prva opazna lastnost je bila sprememba barve dlake v rjavo, najbolj presenetljivo pa je bilo, da so miši izgubili nagnjenost k boleznim, za katerimi so trpeli njihovi starši.

Kot se je izkazalo, je bila to posledica spremenjene prehrane in obnovitve normalne metilacije DNA.

Ta opažanja podpirajo dejstvo, da je epigenom lahko spremenjen s prehrano in ima lahko daljnosežne zdravstvene posledice.

V zadnjih letih je bila dokazana tudi pomembna vloga črevesne mikrobiote v procesu epigenetske modifikacije.

Črevesni mikroorganizmi proizvajajo različne bioaktivne snovi, na primer maščobne kisline s kratkimi verigami, njihova količina pa je odvisna od sestave vrste mikrobiote in kakovosti prehrane.

Velika ponudba prebiotičnih izdelkov v prehrani, kot so topne prehranske vlaknine, npr.odporni škrob, poveča koncentracijo kratkoverižnih maščobnih kislin, ki pozitivno vplivajo na epigenom črevesnih epitelijskih celic.

Epigenetika - polimorfizmi genov MTHFR

Na učinkovitost epigenetskih sprememb lahko vplivajo tudi genetski polimorfizmi, torej majhne spremembe v genomu, katerih posledica je prisotnost različnih genskih različic v človeški populaciji.

Med drugim je ena od posledic genskih polimorfizmov. vsak različen odziv na hranila.

Ocenjuje se, da ima lahko 15-30% ljudi večjo potrebo po darovalcih metila (zlasti folne kisline) zaradi neugodnih polimorfizmov gena MTHFR, ki kodira encim metilenetetrahidrofolat reduktaza.

Ta encim je odgovoren za pretvorbo folne kisline v njeno aktivno obliko.

Ljudje z neugodno varianto polimorfizma gena MTHFR so oslabili pretvorbo neaktivne oblike folne kisline v njeno aktivno obliko 5-metiltetrahidrofolata (5-MTHF), zato imajo povečano potrebo po darovalcih metila.

In čeprav raziskave niso jasno potrdile, da so takšni ljudje morda zmanjšali metilacijo verig DNA, je v njihovem primeru vredno biti pozoren na zadostno preskrbo s hrano ali dodatna dopolnila darovalcev metilnih skupin, kot sta folna kislina ali holin.

Epigenetika - stres

Med drugim tudi odvečni hormoni stresa Kortizol lahko vpliva na epigenetske spremembe živčnega sistema in poveča tveganje za psihiatrične motnje.

Ugotovljeno je bilo, da imajo ljudje z anksioznimi motnjami, posttravmatsko stresno motnjo, posttravmatsko stresno motnjo in depresijo značilen profil epigenetske modifikacije (predvsem zmanjšana metilacija DNA).

Verjame se, da tak epigenom oblikujejo otroške travmatične izkušnje in / ali kronične stresne situacije.

Ta epigenetski profil se ohranja skozi vse življenje in se verjetno prenaša na otroke in vnuke (znan kot ekstra-gensko dedovanje).

Epigenetika - vpliv na zdravje

Napake med epigenetskimi spremembami, kot je utišanje izražanja napačnega gena, lahko povzročijo resne posledice v delovanju telesa, npr.Rak.

Poleg tega vse več študij kaže, da lahko epigenetske spremembe poleg sodelovanja v fizioloških procesih sodelujejo tudi pri razvoju bolezni, kot so:

• avtizem
• shizofrenija
• depresija
• bolezni srca in ožilja
• nevrodegenerativne bolezni
• avtoimunske bolezni
• alergije

Še posebej se išče odnos med epigenetskimi spremembami, prehrano in tveganjem za določene bolezni.

Dokazano je, da se v maternici pojavijo pomembne epigenetske spremembe, ki imajo lahko posledice v odrasli dobi.

Zato tisto, kar mati poje med nosečnostjo, lahko poveča tveganje za nekatere bolezni in celo vpliva na naslednjo generacijo.

Dokazano je, da so otroci mater, ki so bile noseče v času zimske lakote na Nizozemskem v letih 1944–1945, v primerjavi z otroki mater, ki niso stradale, povečali tveganje za bolezni srca in ožilja, debelost in shizofrenijo.

Ugotovljeno je bilo pri otrocih lačnih mater zmanjšana metilacija gena, ki kodira insulinu podoben rastni faktor 2 (IGF2).

Vredno vedeti

Dosežki epigenetike so trenutno predmet intenzivnih raziskav v prehranski znanosti. Obstaja celo nova disciplina, ki se ukvarja z vplivom hranil na izražanje genov, to je nutrigenomika.

Literatura

1. Moosavi A. in Motevalizadeh A. Vloga epigenetike v biologiji in človeških boleznih. Iran Biomed J. 2016, 20 (5), 246-258.
2. Choi S. W. in Friso S. Epigenetika: nov most med prehrano in zdravjem. Adv Nutr. 2010, 1 (1), 8–16.
3. Karabin K. Vpliv prehrane na človeški epigenom ali kako prehrana spreminja gene. Sodobna dietetika 15/2018.
4. Dmitrzak-Węglarz M. in Hauser J. Epigenetski mehanizmi pri duševnih boleznih in kognitivnih motnjah. Psihiatrija 2009; 6, 2, 51–60.
5. Poczęta M. et al.Epigenetske modifikacije in izražanje genov v novotvorbi. Ann. Akad. Med. Siles. 2018.72, 80-89.
6. Glad C. et al.Zmanjšana metilacija DNA in psihopatologija po endogenem hiperkortizolizmu - študija po celotnem genomu. Znanstvena poročila 2017, 7, 44445.
7. Shin W. et al. Vnos holina, ki presega trenutna prehranska priporočila, ohranja oznake celične metilacije v genetski podskupini moških, ogroženih s folati. J Nutr. 2010, 140, 5, 975–980.

O avtorju

Karolina Karabin, dr. Med., Molekularni biolog, laboratorijski diagnostik, Cambridge Diagnostics Polska Biolog s specializacijo iz mikrobiologije in laboratorijski diagnostik z več kot 10-letnimi izkušnjami v laboratorijskem delu. Diplomant šole za molekularno medicino in član poljskega Društva za človeško genetiko, vodja raziskovalnih štipendij v Laboratoriju za molekularno diagnostiko na oddelku za hematologijo, onkologijo in notranje bolezni Medicinske univerze v Varšavi. Na 1. medicinski fakulteti Medicinske univerze v Varšavi je zagovarjala naziv doktorice medicinskih znanosti s področja medicinske biologije. Avtor številnih znanstvenih in poljudnoznanstvenih del s področja laboratorijske diagnostike, molekularne biologije in prehrane. Vsak dan kot strokovnjak na področju laboratorijske diagnostike vodi vsebinski oddelek pri Cambridge Diagnostics Polska in sodeluje z ekipo nutricionistov na dietetični kliniki CD. Svoje praktično znanje o diagnostiki in dietni terapiji bolezni deli s strokovnjaki na konferencah, izobraževanjih ter v revijah in spletnih straneh. Zanima jo predvsem vpliv sodobnega življenjskega sloga na molekularne procese v telesu.

Preberite druga besedila tega avtorja