Jídlo, které nás utváří: jak může strava ovlivnit náš epigenom Understand article

Přeložila Jana Hájková. Jste to, co jíte – a to doslova. Naše stravování může mít vliv na nepatrné změny v  genomu, které stojí u základu některých chorob včetně rakoviny a obezity.

DNA helix
Obrázek se souhlasem
mstroeck / Wikimedia
Commons

Když se na sebe podíváte do zrcadla, možná si řeknete: „Jak to, že všechny buňky v mém těle nesou stejnou DNA, a přesto moje orgány vypadají každý jinak a také odlišně fungují?“ Díky nedávnému pokroku v epigenetice tomu začínáme rozumět. Víme totiž, že buňky genetický materiál různě využívají: geny zapínají a vypínají, což má za následek udivující stupeň diferenciace jednotlivých částí našich těl.

Epigenetika popisuje buněčné procesy, které určují, zda se bude příslušný gen přepisovat a překládat do odpovídajícího proteinu. Informaci mohou nést malé vratné chemické změny chromatinu (obrázek 1). Například připojení acetylových skupin (acetylace) k histonům (proteinům tvořícím jakési lešení pro DNA) zesiluje transkripci. Naopak připojení metylových skupin (metylace) k některým regulačním oblastem DNA genovou transkripci tlumí. Tyto modifikace jsou spolu s dalšími regulačními mechanismy obzvlášť důležité během ontogenetického vývoje. Tehdy je klíčové, aby bylo načasování aktivace genů přesné, aby buněčná diferenciace proběhla správně. Ale svoji roli hrají tyto modifikace i v dospělosti.

Epigenetické modifikace mohou být odpovědí na podněty z vnějšího prostředí, přičemž jedním z nejdůležitějších podnětů je potrava. Mechanismům, kterými náš jídelníček ovlivňuje epigenetiku, zcela nerozumíme, ale máme k dispozici několik dobře prozkoumaných případů.

Obrázek 1: Epigenetické
změny struktury chromatinu
obnášejí především acetylaci
histonů, která zesiluje
transkripci, a metylaci DNA,
při níž jsou metylové skupiny
kovalentně vázány k
cytosinu, což ztěžuje přístup
k struktuře chromatinu. Tyto
změny jsou vratné. Díky
tomu se aktivita genů může
přizpůsobit měnícím se
podmínkám prostředí či
reagovat na různé signály
.
Zvětšíte kliknutím na
obrázek

Obrázek se souhlasem Cristina
Florean

V zimě na přelomu roku 1944 a 1945 trpělo Nizozemí v důsledku německé okupace hrozným hladem, nutriční příjem obyvatel klesl na méně než 1000 kalorií denně. I v těchto těžkých časech bylo nicméně počato mnoho dětí, z nichž jsou dnes šedesátníci. Nedávné studie odhalily, že tito jedinci, kteří byli v nitroděložním vývoji vystaveni omezenému přísunu kalorií, vykazují ve srovnání se svými sourozenci vyšší míru chonických onemocnění, jako je cukrovka, kardiovaskulární nemoci nebo obezita. Zdá se, že riziko rozvoje těchto onemocnění nejvíc ovlivnily první měsíce těhotenství jejich matek.

Jak může něco, co se stalo ještě před narozením, ovlivnit váš život o nějakých 60 let později? Odpověď patrně leží v epigenetických adaptacích, kterými plod reaguje na omezený přísun živin. Přesné epigenetické změny zatím nejsou zcela známy, ukázalo se však, že lidé, kteří v nitroděložním vývoji strádali nedostatečnou výživou, mají ve srovnání se svými lépe živenými sourozenci nižší úroveň metylace genu, který je zapojený do metabolismu inzulinu. (Jde o gen pro inzulinu podobný růstový faktor II) (Heijmans et al., 2008). To má překvapivé důsledky. Ačkoli jsou epigenetické změny teoreticky vratné, užitečné změny, k nimž došlo během embryonálního vývoje, mohou přetrvat do dospělosti. A to dokonce i tehdy, když svoji užitečnost ztratí či se přímo stanou škodlivými. Některé z těchto změn mohou přetrvávat po generace a ovlivňovat vnoučata těchto žen (Painter et al., 2008).

Obrázek 2: Dvě larvy včelích
královen plavou ve svých
komůrkách plných mateří
kašičky. Larvy královen jsou
krmeny výhradně mateří
kašičkou, což spouští jejich
vývoj v královny, včely
schopné reprodukce

Obrázek se souhlasem
Waugsberg /
WikimediaCommons

Vliv výživy v rané ontogenezi na epigenetiku je také jasně vidět u včel. To, co odlišuje neplodnou dělnici od plodné královny, nejsou geny, nýbrž výživa, které se jim v larválním stádiu dostalo (obrázek 2). Larvy předurčené stát se královnami jsou krmeny výhradně látkou vylučovanou dělnicemi, tzv. mateří kašičkou, která zapne jejich genový program tak, že se stanou plodné.

Jiný do očí bijící příklad, jak výživa ovlivňuje epigenetiku, najdeme u myší. Jedinci s aktivním genem aguti mají žlutý kožíšek a sklon k tloustnutí. Tento gen se ale dá díky metylaci DNA vypnout. Pokud březí myš typu aguti dostává doplňky potravy, které mohou uvolňovat metylové skupiny (jako je kyselina listová či cholin), aguti gen mláděte se metyluje a stává se neaktivním. Tato mláďata stále příslušný gen nesou, ale fenotyp aguti postrádají. Mají hnědou srst a nevykazují sklon k obezitě (obrázek 3).

Obrázek 3: Model myši aguti.
Fenotyp myši závisí na stravě
matky během její březosti. A:
Za normálních okolností je
gen aguti spojený se žlutou
srstí a se sklonem k obezitě.
B: Myši narozené matce, která
dostávala doplňky potravy
obsahující donory
metylových skupin, mají gen
aguti metylovaný, tudíž
neaktivní. Jsou štíhlé a mají
hnědou srst. Zvětšíte
kliknutím na obrázek

Obrázek se souhlasem Cristina
Florean

Nedostatečný příjem kyseliny listové se u lidí podílí na takových poruchách vývoje, jako je rozštěp páteře a další vady nervové trubice. Aby se těmto problémům předešlo, doporučuje se těhotným ženám a ženám, které se snaží počít, užívání přípravků s kyselinou listovou (viz Hayes et al., 2009).

A jaký má strava vliv na epigenetiku v dospělosti? Řada složek potravy může u lidí vyvolat epigenetické změny. Například brokolice a další brukvovitá zelenina obsahuje isothiokyanáty, které umí zvyšovat acetylaci histonů. Sója je na druhou stranu zdrojem isoflavonu genisteinu, kterému se připisuje snížení metylace některých genů. Polyfenolický katechin epigallocatechin-3-gallate, který se nachází v zeleném čaji, má mnoho biologických účinků, mj. tlumí metylaci DNA. Kurkumin, sloučenina obsažená v kurkumě (Curcuma longa), má na genovou aktivaci mnohonásobný vliv, inhibuje totiž metylaci DNA, ale také pozměňuje acetylaci histonů. Obrázek 4 ukazuje další příklady epigeneticky aktivních molekul.

Ovocný trh ve Španělsku
Obrázek se souhlasem Marcel
Theisen / Wikimedia Commons

Většina dosud nashromážděných údajů o těchto sloučeninách pochází z pokusů in vitro. Pročištěné molekuly se testovaly na buněčných liniích a stanovoval se jejich vliv na epigenetiku. Teď ještě zbývá prokázat, že má konzumace příslušné potravy stejný účinek, jaký vykazují buněčné modely (Gerhauser, 2013).

Epidemiologické studie naznačují, že lidé, kteří ve velkém konzumují tyto potraviny, jsou méně náchylní k některých chorobám. (Siddiqui et al., 2007). Avšak většina těchto sloučenin nemá jen epigenetické účinky, ale ovlivňuje i biologické funkce. Jídlo může obsahovat mnoho různých biologicky aktivních molekul, díky tomu je vyhledání přímého vztahu mezi epigenetickou aktivitou a účinkem na tělo velmi obtížné. Konečně veškeré jídlo podstupuje v trávicím traktu mnoho přeměn, takže není jasné, jak velkou část aktivních sloučenin tělo skutečně využije.

Díky svým dalekosáhlým účinkům jsou epigenetické změny zapojeny do rozvoje mnoha nemocí, včetně některých typů rakoviny nebo neurologických chorob. V buňkách, které se stávají rakovinnými, mohou epigenetické modifikace deaktivovat geny, které zamezují nadbytečnému buněčnému dělení a potlačují tvorbu nádorů (Esteller, 2007). Protože jsou tyto epigenetické modifikace vratné, je velký zájem najít (především v potravinách) molekuly, které mohou tyto ničivé změny zvrátit, a zabránit tak vývoji nádorů.

Všichni víme, že strava bohatá na ovoce a zeleninu je pro náš každodenní život nezbytná, ale je stále jasnější, že má významný dopad i na náš dlouhodobý zdravotní stav a na celkovou délku života.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Cristina Florean získala titul Ph.D. z biomedicínských věd na univerzitě v Padově a na univerzitě v Bordeaux. Během doktorského studia se věnovala Alzheimerově chorobě a optimalizaci testování léčiv. Strávila rok na univerzitě v Udine, kde pracovala na výzkumu rakoviny a epigenetických enzymů. Nyní působí jako postdoktorandka v Lucemburku v Laboratoři molekulární a buněčné biologie rakoviny (Laboratoire de BiologieMoleculaire et Cellulaire du Cancer). V současné době se zajímá o přírodní sloučeniny s epigenetickou aktivitou, mj. o látky s protirakovinnými účinky, a o epigenetické události spojené se vznikem nádorového bujení.


Review

Článek poukazuje na vazbu mezi stravovacími návyky během těhotenství a změnami v genové expresi, která je podmíněna acetylací histonů (podněcující transkripci) nebo metylací (tlumící transkripci). Na příkladech lidí, myší a včel článek ukazuje, že nedostatek jistých živin může ovlivnit vývoj určitých znaků u dětí. Článek také pojednává o vlivu stravy na epigenetiku u dospělých a uvádí řadu potravin, u nichž je znám pozitivní vliv na zdraví.

Tento článek se může využít jako podklad pro debatu o zdravé stravě a o nehodnotných potravinách. Tato debata by mohla zvýšit povědomí studentů o důsledcích jejich stravovacích zvyklostí.

Článek se může uplatnit v hodině, kde se opakují základy genové exprese.

Možné otázky jsou následující:

  • Jaká je struktura a funkce histonů?
  • Jaké znáte hlavní mechanismy regulace genové exprese?
  • Jak ovlivňuje genotyp fenotypový projev?
  • Jak ovlivňují podmínky životního prostředí (vnitřní či vnější) genovou expresi?
  • Cukrovka je příklad onemocnění, které má spojitost se stravováním. Dokážete popsat příčiny diabetu?

Monica Menesini, Liceo Scientifico Vallisneri Lucca, Itálie




License

CC-BY-NC-ND