Pārtika, kas veido tevi: kā diēta vai izmainīt tavu epigenomu Understand article

Tulkojusi Indra Bekere. Tu esi tas, ko tu ēd – diezgan tiešā nozīmē. Mūsu uzturs var ietekmēt niecīgas izmaiņas mūsu genomā, kas ir daudzu slimību pamatā, ieskaitot vēzi un aptaukošanos.

DNA dubultspirāle
Foto: mstroeck / Wikimedia
Commons

Kad tu aplūko sevi spogulī, tu varētu vaicāt, ‘Kā, zinot, ka visas šūnas manā ķermenī satur to pašu DNS, orgāni var izskatīties un darboties tik dažādi? Nesenais progress epiģenētikā ļauj mums to saprast. Mēs zinām, ka šūnas lieto savu ģenētisko materiālu dažādos veidos: gēni tiek ieslēgti un izslēgti, tā rezultātā radot apbrīnojumu diferenciāciju mūsu ķermeņos.

Epiģenētika apraksta šūnu procesus, kas nosaka, vai notiks noteikta gēna transkripcija un translācija producējot attiecīgo proteīnu. Ziņojums var tikt pārvadīts caur mazām un atgriezeniskām hromatīna ķīmiskajām modifikācijām (figūra 1). Piemēram, acetila grupu (acetilēšana) pievienošana DNS balsta proteīniem (histoniem) veicina transkripciju. Pretēji, metila grupu pievienošana (metilēšana) dažiem DNS regulējošajiem proteīniem mazina gēnu transkripciju. Šīs modifikācijas kopā ar citiem regulējošajiem mehānismiem ir sevišķi svarīgas ne tikai attīstības laikā – kad precīza laika koordinācija gēnu aktivēšanai ir izšķiroša, lai nodrošinātu precīzu šūnu diferenciāciju – bet tā turpina ietekmēt arī pieauguša cilvēka stāvokli.

Epiģenētiskās modifikācijas var notikt kā atbilde dabas stimuliem, no kuriem viens no vissvarīgākajiem ir uzturs. Mehānismi, ar kādiem tas ietekmē epiģenētiku, nav pilnībā saprasti, bet daži skaidri piemēri ir labi zināmi.

Spied uz attēla, lai
palielinātu. Figūra 1:
hromatīna epiģenētiskās
izmaiņas galvenokārt iekļauj
histonu acetilēšanu – kas
veicina transkripciju – un
DNS metilēšanu, kas ar
kovalentu saiti sasaista
metila grupu un citozīnu,
padarot hromatīna struktūru
mazāk pieejamu. Šīs izmaiņas
ir atgriezeniskas, ļaujot gēnu
aktivitātei piemēroties
mainīgajām vides kondīcijām
vai signāliem.

This image was updated on
the 13 May 2014. Foto:
Cristina Florean

1944-1945 gada ziemas laikā Nīderlande cieta no šausmīga bada vācu okupācijas rezultātā un populācijas pārtikas uzņemšana nokritās līdz mazāk kā 1000 kalorijām dienā. Sievietes turpināja ieņemt un dzemdēt bērnus šajos smagajos apstākļos, kuri tagad ir 60 gadus veci pieaugušie. Nesenie pētījumi ir atklājuši, ka šiem cilvēkiem , kuri tika pakļauti kaloriju ierobežošanai esot mātes dzemdē, ir biežāka sastopamība ar hroniskiem stāvokļiem kā diabēts, sirds un asinsvadu slimībām un aptaukošanos nekā viņu māsām un brāļiem. Pirmie grūtniecības mēneši šķietami rāda lielāko ietekmi slimību riskam.

Kā kaut kas tāds, kas notika pirms tu vēl bijis dzimis, var ietekmēt tavu dzīvi pat 60 gadus vēlāk? Izskaidrojums balstās uz augļa epiģenētiskajām adaptācijām kā atbilde uz ierobežotu barības vielu piegādi.

Precīzas epiģenētiskās pārmaiņas vēl joprojām nav skaidras, bet tika atklāts, ka cilvēkiem, kuri tika pakļauti badam esot dzemdē, ir zemāka metilēšanas pakāpe gēnam, kas ir iesaistīts insulīna vielmaiņā (insulīnam līdzīgais augšanas faktors II gēns), nekā viņu badu nepiedzīvošajiem māsām un brāļiem (Heijmans et al., 2008). Varam izdarīt dažus pārsteidzošus secinājumus: lai gan epiģenētiskas izmaiņas, kas notiek embrija attīstības laikā, teorētiski ir atgriezeniskas, tomēr, neskatoties uz to, var saglabāties pieaugušo dzīvē, pat tad, kad tās vairs nav labvēlīgas un var būt pat kaitīgas. Dažas no šīm izmaiņām var saglabāties pat caur dažādām paaudzēm, tā ietekmējot skartās sievietes mazbērnus (Painter et al., 2008).

Figūra 2: Divas medus bites
kūniņas peldot peru pieniņā
savas karalienes šūnā.
Karalienes kūniņa ir barota
tikai ar peru pieniņu, kas
veicina karalienes fenotipa
attīstību, tā
atļaujotvairošanos. 

Foto: Waugsberg / Wikimedia
Commons

Agrīnās dietās ietekme uz epiģenētiku ir arī skaidri redzama medus bitēs. Nevis ģenētika atšķir sterilo darba biti no auglīgās karalienes, bet gan uzturs, ko tā lieto kā kūniņa (figūra 2). Kūniņas, kuras kļūs par karalienēm, tiek barotas tikai ar peru pieniņu, darba bišu izdalītu vielu, kas ieslēdz gēnu programmu, kā rezultātā bite var kļūt auglīga.

Vēl viens pārsteidzošs piemērs, kā uzturs ietekmē epiģenētiku attīstības laikā, tika atrasts pelēs. Īpatņiem ar aktīvu aguti gēnu ir dzeltens kažoks un nosliece uz aptaukošanos, taču šis gēns var tikt izslēgts metilējot DNS. Ja grūta aguti pele saņem uztura bagātinātājus, kuri var atbrīvot metila grupas – kā folijskābe vai holīns – mazuļu aguti gēni kļūst metilēti un, līdz ar to, neaktīvi. Šie mazuļi vēl joprojām nes aguti gēnu, taču zaudē aguti fenotipu: tie iegūst brūnu spalvu un mazāku tendenci uz aptaukošanos (figūra 3).

Spied uz attēla, lai
palielinātu. Figūra 3: Aguti
peles modelis. Fenotips ir
atkarīgs no mātes diētas
grūtniecības laikā. A: Parasti
aguti gēns ir saistīts ar
dzeltenu kažoka krāsu un
noslieci uz aptaukošanos.
B: Pelēm, kas dzimušas mātei
saņemot uztura
bagātinātājus ar metila
grupu donoriem, ir metilēts
un neaktīvs aguti gēns, radot
smalkas, brūnas spalvas
fenotipu. 

Foto: Cristina Florean

Nepietiekama folijskābes uzņemšana ir saistīta arī ar attīstības traucējumiem cilvēkos, kā spina bifida un citiem nervu caurulītes traucējumiem. Lai aizkavētu šādas problēmas, folijskābes bagātinātāji ir plaši ieteikti sievietēm stāvoklī un tām, kuras cer ieņemt bērnu (skaties Hayes et al., 2009).

Kāda ir uztura ietekme uz epiģenētiku pieaugušo dzīves laikā? Daudzas ēdiena sastāvdaļas var potenciāli radīt epiģenētiskās izmaiņas cilvēkos. Piemēram, brokoļi un citi krustziežu dzimtas dārzeņi satur izotiocianātus, kuri ir spējīgi palielināt histonu acetilēšanu. Soja, no otras puses, ir izoflavonoīda genisteina avots, kas tiek uzskatīts kā noteiktu gēnu DNS metilēšanas mazinātājs. Polifenola savienojums epigallokatehīns-3-gallātam ir atrodams zaļajā tējā un ir saistīts ar daudzām bioloģiskajām aktivitātēm, ieskaitot DNS metilēšanas ierobežošanu. Kurkumīns, kurkumā (Curcuma longa) atrodams savienojums, var radīt vairākus gēnu regulēšanas efektus, jo tas ierobežo DNS metilēšanu, bet arī modulē histonu acetilēšanu. Figūra 4 rāda papildus epiģenētiski aktīvu molekulu piemērus.

Augļu tirgus Spānijā
Foto: Marcel Theisen /
Wikimedia Commons

Lielākā daļa no savāktajiem datiem par šiem savienojumiem nāk no in vitro eksperimentiem. Šūnu kultūras tika testētas ar izolētām molekulām un tika mērīta to ietekme uz epiģenētiskajiem mērķiem. To, ka attiecīgu pārtikas produktu lietošana rada tādus pašus ievērojamus efektus kādi novēroti šūnu kultūrās, vēl joprojām ir jāpierāda (Gerhauser, 2013).

Epidemioloģiskās studijas tomēr liecina, ka populācijas, kas patērē lielus daudzumus no šiem dažiem pārtikas produktiem, ir mazāk uzņēmīgas uz noteiktām slimībām (Siddiqui et al., 2007). Taču lielākā daļa šo savienojumu rada ne tikai epiģenētiskus efektus, bet ietekmē arī citas bioloģiskās funkcijas. Pārtikas produkts var saturēt daudzas dažādas bioloģiski aktīvas molekulas, tā radot grūtības izveidot tiešu saistību starp epiģenētisko aktivitāti un kopējo ietekmi uz ķermeni. Visbeidzot, visi pārtikas produktu tiek vairrākkārt transformēti mūsu gremošanas sistēmā, tādēļ nav skaidrs, kā daudzi aktīvie savienojumu patiesībā sasniedz savus molekulāros mērķus.

Kā tālejošo efektu rezultāts, epiģenētiskās izmaiņas ir iesaistītas daudzu slimību attīstībā, ieskaitot vēzi un neiroloģiskās slimības. Līdzko šūnas kļūst ļaundabīgas vai vēža šūnas, epiģenētiskās izmaiņas var deaktivēt audzēju apslāpējošos gēnus, kas novērš pārmērīgu šūnu dalīšanos (Esteller, 2007). Tā kā šīs epiģenētiskās izmaiņas ir atgriezeniskas, liela uzmanība tiek pievērsta molekulu atrašanai – it īpaši pārtikas avotos – kuri varētu novērst šīs kaitīgās izmaiņas un pasargāt no audzēja attīstības.

Mēs visi zinām, ka ar augļiem un dārzeņiem bagāta diēta ikdienā ir veselīga, bet daudz skaidrāks kļūst, ka patiesā vērtība var būt daudz svarīgāka, ietekmējot veselību un dzīves ilgumu ilgtermiņā.

Download

Download this article as a PDF

References

 

Resources

Author(s)

Cristina Florean saņēma doktora grādu biomedicīniskajās zinātnēs Padua un Bordeauz universitātēs. Savu doktorantūras studiju laikā viņa strādāja ar Alcheimera slimību un zāļu pārbaudes optimizāciju. Viņa pavadīja vienu gadu University of Udine strādājot pie vēža un epiģenētiskajiem enzīmiem, un tagad strādā pēcdoktorantūras amatā Luksemburgā, Vēža Molekulārās un Šūnu Bioloģijas Laboratorijā (Laboratoire de Biologie Moleculaire et Cellulaire du Cancer). Viņas pašreizējās pētnieciskās intereses ir dabiskie savienojumi, kas izrāda epiģenētisko aktivitāti kā pret vēža zāļu kandidāti un epiģenētiskie notikumi saistīti ar kanceroģenēzi.


Review

Šis raksts izveido saiti starp diētu grūtniecības laikā un izmaiņām gēnu ekspresijā, kas var rasties histonu acetilēšanas (veicina transkripciju) un metilēšanas (samazina transkripciju) rezultātā. Lietojot piemērus ar cilvēkiem, pelēm un medus bitēm, raksts parāda, ka noteiktu uztura vielu trūkums var ietekmēt bērnu attīstības iezīmes. Raksts arī min diētas efektus uz epiģenētiku pieaugušo dzīvē, nosaucot vairākus pārtikas produktus, kuri ir zināmi ar pozitīvu ietekmi uz veselību.

Šis raksts varētu tikt izmantots kā pamats diskusijai par veselīgas diētas izvēli salīdzinājumā ar nepilnvērtīgas barības uzņemšanu, tā palielinot studentu apzināšanos par ēšanas paražu iespējamām sekām.

Šis raksts varētu tikt izmantots stundā pārskatot dažus gēnu ekspresijas pamata principus.

Potenciālie jautājumi varētu iekļaut:

  • Kāda ir histonu struktūra un funkcija?
  • Kādi ir gēnu ekspresijas galvenie regulācijas mehānismi?
  • Kā genotips ietekmē fenotipa ekspresiju?
  • Kā vides apstākļi (iekšējie vai ārējie) ietekmē gēnu ekspresiju?
  • Diabēts ir labs piemērs slimībai, kas ir saistīta ar diētu. Vai tu vari izskaidrot diabēta cēloņus?

Monica Menesini, Liceo Scientifico Vallisneri Lucca, Itālija




License

CC-BY-NC-ND