Τροφές που σε διαμορφώνουν: πώς η διατροφή μπορεί να αλλάξει το επιγονιδίωμά σας Understand article

Μεταφρασμένο από τον Κωνσταντίνο Μιχαλοδημητράκη. Είμαστε ό,τι τρώμε – αρκετά κυριολεκτικά. Η διατροφή μας μπορεί να επηρεάσει τις μικρές αλλαγές στο γονιδίωμά…

Έλικα DNA
Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του mstroeck /
Wikimedia Commons

Όταν κοιτάς τον εαυτό σου στον καθρέφτη μπορεί να αναρωτηθείς «Πώς μπορούν, δεδομένου ότι όλα τα κύτταρα στο σώμα μου έχουν το ίδιο DNA, τα όργανά μου να φαίνονται και να λειτουργούν τόσο διαφορετικά;» Με την πρόσφατη πρόοδο στην επιγενετική, έχουμε αρχίσει να καταλαβαίνουμε. Τώρα ξέρουμε ότι τα κύτταρα χρησιμοποιούν το γενετικό τους υλικό με διαφορετικούς τρόπους: γονίδια ενεργοποιούνται και απενεργοποιούνται, με αποτέλεσμα τον εκπληκτικό βαθμό διαφοροποίησης μέσα στο σώμα μας.

Η επιγενετική περιγράφει τις κυτταρικές διεργασίες που καθορίζουν εάν ένα συγκεκριμένο γονίδιο θα μεταγραφεί και μεταφραστεί στην αντίστοιχη πρωτεΐνη. Το μήνυμα μπορεί να μεταφερθεί μέσω μικρών και αντιστρέψιμων χημικών τροποποιήσεων της χρωματίνης (σχήμα 1). Για παράδειγμα, η προσθήκη ακέτυλο όμαδων (ακετυλίωση) των πρωτεϊνών στήριξης του DNA (ιστόνες) αυξάνει την μεταγραφή. Αντίθετα, η προσθήκη μέθυλο ομάδων (μεθυλίωση) σε ορισμένες ρυθμιστικές περιοχές του ίδιου του DNA μειώνει την γονιδιακή μεταγραφή. Αυτές οι τροποποιήσεις, μαζί με άλλους ρυθμιστικούς μηχανισμούς, είναι ιδιαίτερα σημαντικές κατά την ανάπτυξη – όταν η ακριβής στιγμή της ενεργοποίησης γονιδίων είναι καθοριστική για την διασφάλιση της ακριβούς κυτταρικής διαφοροποίησης – αλλά συνεχίζουν να έχουν κάποια επίδραση κατά την ενήλικη ζωή.

Οι επιγενετικές τροποποιήσεις μπορούν να συμβούν ως αντίδραση σε ερεθίσματα από το περιβάλλον, από τα οποία ένα από τα πιο σημαντικά είναι η διατροφή. Οι μηχανισμοί με τους οποίους η διατροφή επηρεάζει την επιγενετική δεν είναι πλήρως κατανοητοί, αλλά είναι καλά γνωστά μερικά ξεκάθαρα παραδείγματα.

Κάντε click στην εικόνα για
μεγέθυνση. Σχήμα 1:
Επιγενετικές αλλαγές στην
δομή της χρωματίνης
περιλαμβάνουν κυρίως την
ακετυλίωση ιστονών – η
οποία  αυξάνει την
μεταγραφή – και την
μεθυλίωση του DNA, όπου οι
μέθυλο ομάδες συνδέονται
ομοιοπολικά σε κυτοσίνη,
κάνοντας την δομή της
χρωματίνης λιγότερο
προσβάσιμη. Αυτές οι
τροποποιήσεις είναι
αντιστρεπτές, επιτρέποντας
την προσαρμογή της
γονιδιακής δραστηριότητας
στις αλλαγές των συνθηκών
του περιβάλλοντος ή σε
σήματα.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά της Cristina
Florean

Κατά την διάρκεια του χειμώνα του 1944-1945, η Ολλανδία αντιμετώπισε ένα φοβερό λιμό εξαιτίας της Γερμανικής κατοχής και η διατροφική πρόσληψη του κόσμου έπεσε κάτω από τις 1000 θερμίδες την ημέρα. Οι γυναίκες συνέχισαν να συλλαμβάνουν και να γεννούν κατά την δύσκολη αυτή περίοδο και τα παιδιά αυτά είναι τώρα ενήλικες στην ηλικία των εξήντα. Πρόσφατες έρευνες έχουν αποκαλύψει ότι αυτά τα άτομα – που εκτέθηκαν σε περιορισμούς σε θερμίδες όσο ήταν στην μήτρα της μητέρας τους – έχουν υψηλότερο ποσοστό χρόνιων νοσημάτων όπως ο διαβήτης, οι καρδιαγγειακές παθήσεις και η παχυσαρκία από τα αδέρφια τους. Οι πρώτοι μήνες της εγκυμοσύνης φαίνεται να έχουν την μέγιστη επίδραση στο κίνδυνο εμφάνισης ασθενειών.

Πώς μπορεί κάτι που συνέβη πριν ακόμα γεννηθείς να επηρεάζει την ζωή σου μέχρι και μετά από 60 χρόνια;  Η απάντηση φαίνεται να βρίσκεται στις επιγενετικές προσαρμογές του εμβρύου σε ανταπόκριση στην περιορισμένη παροχή θρεπτικών συστατικών.

Οι ακριβείς επιγενετικές τροποποιήσεις δεν είναι ακόμα ξεκάθαρες, αλλά ανακαλύφθηκε ότι άνθρωποι που εκτέθηκαν σε λιμό στην μήτρα έχουν μικρότερο βαθμό μεθυλίωσης ενός γονιδίου που εμπλέκεται στον μεταβολισμό της ινσουλίνης (το γονίδιο του ινσουλινοειδή αυξητικού παράγοντα ΙΙ) από ότι τα αδέρφια τους που δεν έχουν εκτεθεί (Heijmans et al., 2008). Αυτό έχει μερικές υπόνοιες που ξαφνιάζουν: παρόλο ότι οι επιγενετικές τροποποιήσεις είναι θεωρητικά αντιστρεπτές, χρήσιμες τροποποιήσεις που γίνονται κατά την ανάπτυξη του εμβρύου μπορούν να παραμείνουν στην ενήλικη ζωή. Μερικές από αυτές τις τροποποιήσεις μπορούν να παραμείνουν επί γενεές, επηρεάζοντας τα εγγόνια των εκτεθειμένων γυναικών (Painter et al., 2008).

Σχήμα 2: Δύο προνύμφες
βασιλισσών μελισσών που
επιπλέουν σε βασιλικό
πολτό στο βασιλικό τους
κελί. Οι βασιλικές
προνύμφες τρέφονται
αποκλειστικά με βασιλικό
πολτό, κάτι που πυροδοτεί
την ανάπτυξη του βασιλικού
φαινότυπου, επιτρέποντας
την αναπαραγωγή.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά του Waugsberg /
Wikimedia Commons

Οι επιδράσεις της πρώιμης διατροφής στην επιγενετική είναι ξεκάθαρα ορατή στις μέλισσες. Αυτό που διαφοροποιεί τις στείρες εργάτριες μέλισσες από την γόνιμη βασίλισσα δεν είναι η γενετική, αλλά η διατροφή τους όταν είναι προνύμφες (σχήμα 2). Οι προνύμφες που προορίζονται για βασίλισσες τρέφονται αποκλειστικά με βασιλικό πολτό, μία ουσία που εκκρίνεται από τις εργάτριες μέλισσες, η οποία ενεργοποιεί το γενετικό πρόγραμμα που οδηγεί στο να γίνει γόνιμη η μέλισσα.

Ένα άλλο εντυπωσιακό παράδειγμα του πώς η διατροφή επηρεάζει την επιγενετική κατά την ανάπτυξη συναντάται στα ποντίκια. Άτομα που έχουν ενεργό γονίδιο agouti έχουν κίτρινο τρίχωμα και μία τάση προς την παχυσαρκία.

Αυτό το γονίδιο, όμως, μπορεί να απενεργοποιηθεί με μεθυλίωση του DNA. Εάν σε ένα agouti ποντίκι που κυοφορεί δίνονται συμπληρώματα διατροφής τα οποία μπορούν να απελευθερώσουν μέθυλο ομάδες – όπως το φολικό οξύ ή η χολίνη – τα γονίδια agouti των μικρών θα μεθυλιωθούν και επομένως θα απενεργοποιηθούν. Τα μικρά αυτά εξακολουθούν να φέρουν το γονίδιο agouti αλλά χάνουν τον φαινότυπο agouti: έχουν καφέ τρίχωμα και δεν έχουν αυξημένη τάση προς την παχυσαρκία (σχήμα 3).

Κάντε click στην εικόνα για
μεγέθυνση. Σχήμα 3: Το
μοντέλο του ποντικιού
agouti. Ο φαινότυπος
εξαρτάται από την
διατροφή της μητέρας κατά
την διάρκεια της
εγκυμοσύνης. Α: Κανονικά,
το γονίδιο agouti συνδέεται
με κίτρινο τρίχωμα και τάση
προς παχυσαρκία. Β:
Ποντίκια που γεννήθηκαν
από μία μητέρα που
λάμβανε συμπληρώματα
διατροφής με δωρητές
μέθυλο ομάδων, όμως, έχουν
μεθυλιωμένο και συνεπώς
ανενεργό γονίδιο agouti, με
αποτέλεσμα τον φαινότυπο
αδύνατου ποντικιού με καφέ
τρίχωμα.

Η εικόνα είναι ευγενική
προσφορά της Cristina
Florean

Η ανεπαρκής πρόσληψη φολικού οξέως επίσης εμπλέκεται σε προβλήματα ανάπτυξης στους ανθρώπους, όπως η δισχιδής ράχη (spina bifida) και άλλες ανωμαλίες του νευρικού σωλήνα. Για να προληφθούν τέτοια προβλήματα, προτείνεται ευρέως να παίρνουν συμπληρώματα φολικού οξέως οι έγκυες και όσες ελπίζουν να συλλάβουν (δείτε Hayes et al., 2009).

Τι γίνεται με την επίδραση της διατροφής στην επιγενετική στην ενήλικη ζωή; Πολλά από τα συστατικά των τροφών έχουν την δυνατότητα να προκαλέσουν επιγενετικές αλλαγές στους ανθρώπους. Για παράδειγμα, τα μπρόκολα και αλλά σταυρανθή λαχανικά περιέχουν ισοθειοκυανικά, τα οποία μπορούν να αυξήσουν την ακετυλίωση των ιστονών. Από την άλλη, η σόγια είναι μία πηγή της ισοφλαβόνης γενιστεΐνη, που θεωρείται ότι μειώνει την μεθυλίωση του DNA ορισμένων γονιδίων. Στο πράσινο τσάι βρίσκεται η πολυφαινολική ένωση γαλλικός 3-επιγαλλοκατεχυλεστέρας (epigallocatechin-3-gallate) που έχει πολλές βιολογικές δράσεις, περιλαμβάνοντας την παρεμπόδιση της μεθυλίωσης του DNA. Η κουρκουμίνη, μία ένωση που συναντάται στην κουρκούμη (Curcuma longa), μπορεί να έχει πολλαπλές επιδράσεις στην ενεργοποίηση γονιδίων, γιατί παρεμποδίζει την μεθυλίωση του DNA αλλά και ρυθμίζει την ακετυλίωση των ιστονών. Στο σχήμα 4 φαίνονται περισσότερα παραδείγματα επιγενετικά ενεργών μορίων.

Fruit market in Spain
Image courtesy of Marcel
Theisen / Wikimedia Commons

Τα περισσότερα δεδομένα που έχουν συλλεχθεί μέχρι στιγμής για αυτές τις ενώσεις προέρχονται από πειράματα in vitro. Τα απομονωμένα μόρια δοκιμάστηκαν σε κυτταρικές σειρές και μετρήθηκαν οι επιδράσεις τους σε επιγενετικούς στόχους. Παραμένει να αποδειχθεί εάν τρώγοντας τα αντίστοιχα τρόφιμα προκύπτει κάποια ανιχνεύσιμη επίδραση όπως παρατηρείται σε κυτταρικά μοντέλα (Gerhauser, 2013).

Όμως, επιδημιολογικές μελέτες, υποδηλώνουν ότι οι πληθυσμοί που καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες μερικών από αυτά τα τρόφιμα εμφανίζονται λιγότερο επιρρεπείς σε κάποιες ασθένειες (Siddiqui et al., 2007). Ωστόσο οι περισσότερες από αυτές τις ενώσεις δεν έχουν μόνο επιγενετικές επιδράσεις αλλά επηρεάζουν και άλλες βιολογικές λειτουργίες. Ένα τρόφιμο μπορεί να περιέχει πολλά διαφορετικά μόρια που είναι βιολογικά ενεργά, κάνοντάς το δύσκολο να βγάλεις μία άμεση συσχέτιση μεταξύ επιγενετικής δράσης και την συνολική επίδραση στο σώμα. Τέλος, όλα τα τρόφιμα υφίστανται πολλές μετατροπές στο πεπτικό μας σύστημα, οπότε δεν είναι ξεκάθαρο πόσες από τις ενεργές ενώσεις φτάνουν πραγματικά στους μοριακούς στόχους τους.

Ως αποτέλεσμα της μεγάλης εμβέλειας των επιδράσεών τους, οι επιγενετικές τροποποιήσεις εμπλέκονται στην ανάπτυξη πολλών ασθενειών, συμπεριλαμβάνοντας ορισμένους τύπους καρκίνου και νευρολογικές ασθένειες. Καθώς τα κύτταρα γίνονται κακοήθη, ή καρκινικά, επιγενετικές τροποποιήσεις μπορούν να απενεργοποιήσουν γονίδια καταστολέων όγκων, τα οποία εμποδίζουν τον υπερβολικό πολλαπλασιασμό των κυττάρων (Esteller, 2007). Επειδή αυτές οι επιγενετικές τροποποιήσεις είναι αντιστρεπτές, υπάρχει μεγάλο ενδιαφέρον για την εύρεση των μορίων – ειδικά από διατροφικές πηγές – που μπορεί να αναιρέσουν αυτές τις επιζήμιες τροποποιήσεις και να εμποδίσουν την ανάπτυξη του όγκου.

Όλοι γνωρίζουμε ότι μία διατροφή πλούσια σε φρούτα και λαχανικά είναι υγιεινή για την καθημερινή μας ζωή, αλλά γίνεται ολοένα πιο ξεκάθαρο ότι ίσως να είναι ακόμα πιο σημαντική από αυτό, με το να έχει σημαντικές μακροπρόθεσμες επιπτώσεις στην υγεία μας και το προσδόκιμο της ζωής.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

  • Για μία απλή εισαγωγή στην επιγενετική, δείτε:
    • McVittie B (2006) EpigeneticsScience in School 2: 62-64.
  • Για να μάθετε περισσότερα για την διατροφή και την επιγενετική, δείτε:
  • Την ιστοσελίδα Learn Genetics.
  • Για περισσότερες πληροφορίες για την επίδραση του Ολλανδικού λιμού κατά την ενήλικη ζωή και την μεθυλίωση γονιδίων, δείτε:
  • Την ιστοσελίδα του Πανεπιστημίου του Λάιντεν  University of Leiden.
  • Την ιστοσελίδα της Μελέτης του Ολλανδικού Λιμού Dutch Famine Study.
  • Για μία συναρπαστική και ιδιαίτερα ευανάγνωστη εξήγηση πρόσφατων ερευνών στην επιγενετική μελισσών, δείτε:
    • Chittka A, Chittka L (2010) Epigenetics of royalty. PLOS Biology 8(11): e1000532. doi:10.1371/journal.pbio.1000532.

    • Το PLOS Biology είναι ένα επιστημονικό περιοδικό ελεύθερης πρόσβασης, οπότε αυτό το άρθρο είναι διαθέσιμο δωρεάν στο διαδίκτυο

  • Για περισσότερες πληροφορίες για την επιγενετική των μελισσών.
  • Για μία απλή επισκόπηση της επιγενετικής και το γονίδιο agouti στα ποντίκια, δείτε:
  • Για να μάθετε πώς τα επίπεδα των ορμονών κατά την διάρκεια της εγκυμοσύνης μπορούν να επηρεάσουν το φύλο του παιδιού, δείτε:

Author(s)

Η Cristina Florean έλαβε το διδακτορικό της στις βιοϊατρικές επιστήμες από τα πανεπιστήμια της Πάντοβα και του Μπορντό. Κατά την διάρκεια της διδακτορικής της διατριβής εργάστηκε πάνω στην νόσο Alzheimer και στην βελτιστοποίηση της διαλογής φαρμάκων. Πέρασε ένα χρόνο στο Πανεπιστήμιο του Ούντινε δουλεύοντας στον καρκίνο και τα επιγενετικά ένζυμα και τώρα εργάζεται στο Λουξεμβούργο στο Εργαστήριο Μοριακής και Κυτταρικής Βιολογίας του Καρκίνου (Laboratoire de Biologie Moleculaire et Cellulaire du Cancer) ως μεταδιδακτορική ερευνήτρια. Η τρέχουσα έρευνά της στρέφεται γύρω από φυσικές ενώσεις, που παρουσιάζουν επιγενετική δράση, ως υποψήφια αντικαρκινικά φάρμακα και επιγενετικά φαινόμενα που συνδέονται με την καρκινογένεση.


Review

Το άρθρο εδραιώνει ένα δεσμό μεταξύ της διατροφής κατά την εγκυμοσύνη και αλλαγές στην έκφραση γονιδίων εξαιτίας των μηχανισμών της ακετυλίωσης των ιστονών (αύξηση της μεταγραφής) και μεθυλίωσης (μείωση της μεταγραφής). Χρησιμοποιώντας παραδείγματα σε ανθρώπους, ποντίκια και μέλισσες, το άρθρο δείχνει ότι η έλλειψη συγκεκριμένων θρεπτικών συστατικών μπορεί να επηρεάσει χαρακτηριστικά της ανάπτυξης στα παιδιά. Επίσης ασχολείται με τις διατροφικές επιδράσεις στην επιγενετική στην ενήλικη ζωή, απαριθμώντας τροφές που είναι γνωστό ότι έχουν θετική επιρροή στην υγεία. Αυτό το άρθρο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως βάση για μία συζήτηση γύρω από τις υγιεινές διατροφικές επιλογές σε σύγκριση με το πρόχειρο φαγητό (junk food), έτσι ώστε να αυξηθεί η επίγνωση των μαθητών για τις πιθανές συνέπειες των διατροφικών τους συνηθειών. Το άρθρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα μάθημα επισκόπησης μερικών βασικών θεμάτων της γονιδιακής έκφρασης. Πιθανές ερωτήσεις μπορεί να περιλαμβάνουν:

  • Ποια είναι η δομή και η λειτουργία των ιστονών;
  • Ποιοι είναι οι κύριοι μηχανισμοί ρύθμισης της γονιδιακής έκφρασης;
  • Πως επηρεάζει ο γονότυπος την έκφραση του φαινότυπου;
  • Πως επηρεάζουν οι συνθήκες του περιβάλλοντος (εσωτερικές ή εξωτερικές) την γονιδιακή έκφραση;
  • Ο διαβήτης είναι ένα καλό παράδειγμα ασθένειας που συνδέεται με την διατροφή. Μπορείτε να περιγράψετε τα αίτια του διαβήτη;

Monica Menesini, Liceo Scientifico Vallisneri Lucca, Ιταλία




License

CC-BY-NC-ND