Jedzenie, które cię kształtuje, czyli jak dieta może zmienić twój epigenom Understand article

Przetłumaczyła Katarzyna Badura. Jesteś tym, co jesz – i to dosłownie. Nasza dieta może wpływać na drobne zmiany w naszym genomie, zmiany, które leżą u podstaw wielu chorób, w tym raka i otyłości.

Helissa DNA
Zdjęcie dzięki uprzejmości
mstroeck / Wikimedia
Commons

Kiedy patrzysz na siebie w lustrze może się w twojej głowie pojawić pytanie “Jak to jest możliwe, że moje organy są tak różne z wyglądu i pełnią tak odmienne funkcje, skoro w każdej z budujących je komórek jest to samo DNA?” Wraz z niedawnym postępem w epigenetyce zaczynamy rozumieć to zjawisko. Wiemy już, że komórki wykorzystują swój materiał genetyczny w różny sposób: geny są włączane i wyłączane, co prowadzi do zaskakujących różnic na poziomie wnętrza naszych ciał.

Epidenetyka opisuje procesy komórkowe, które determinują, czy określony gen zostanie przepisany i przetłumaczony na odpowiadające mu białko. Wiadomość może być przenoszona do chromatyny przez małe odwracalne modyfikacje chemiczne (Rycina 1).  Przykładowo, przyłączenie grupy acetylowej (acetylacja) do białek rdzenia DNA (histonów) nasila transckrypcję. Z kolei dodanie grup metylowych (metylacja) do niektórych rejonów regulatorowych samego DNA zmniejsza transkrypcję genów. Te modyfikacje, wra z innymi mechanizmami regulatorowymi, są szczególnie ważne w trakcie rozwoju – gdy dokładny moment aktywacji genów jest kluczowy dla zapewnienia dokładnego zróżnicowania komórek – a jednocześnie nadal mają wpływ na dorosłość.

Epigenetyczne modyfikacje mogą się pojawić jako odpowiedź na stymulacje środowiskowe, z których najważniejszym jest dieta. Mechanizm oddziaływania diety na epigenetykę nie został jeszcze w pełni zrozumiany, jednak kilka jasnych przykładów tej zależności jest już znanych.

Kliknij na zdjęcie żeby
powiększyć. Rycina 1:
Epigenetyczne zmiany w
strukturze chromatyny
dotyczą głównie acetylacji
histonów – która nasila
transkrypcję – oraz metylację
DNA, w ramach której grupy
metylowe wiążą się
kowalencyjnie z cytozyną,
czyniąc strukturę chromatyny
mniej przystępną. Zmiany te
są odwracalne, co pozwala na
zmianę aktywności genów w
zależności od warunków lub
sygnałów środowiskowych.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Cristina Florean

Zimą 1944-1945 mieszkańcy Holandii zaznali z powodu niemieckiej okupacji straszliwego głodu, w wyniku którego spożycie kaloryczne na osobę spadło poniżej 1000 kalorii na dzień.  W tym czasie kobiety nadal zachodziły w ciążę i rodziły dzieci, które w chwili obecnej dobiegły już wiekiem do sześćdziesiątki. Bieżące badania dowiodły, że te osobniki – wystawione w okresie płodowym na niedostatek kaloryczny – częściej zapadają na choroby chroniczne, takie jak cukrzyca, choroby układu krążenia i otyłość, niż ich rówieśnicy. Pierwsze miesiące ciąży zdają się mieć kluczowy wpływ na podatność na choroby.

Jak to możliwe, aby coś, co się wydarzyło zanim się urodziłeś miało wpływ na twoje życie jakieś 60 lat później? Odpowiedź zdaje się tkwić w epigenetycznej adaptacji, która zachodzi w płodzie jako odpowiedź na ograniczony dostęp do żywności. Co prawda nie udało się jeszcze dokładnie poznać zmian epigenetycznych, jednak udało się odkryć, że u ludzi, którzy doświadczyli głodu w okresie płodowym, występuje mniejsza metylacja genu odpowiedzialnego za metabolizm insuliny (gen insulinopodobnego czynnika wzrostu II) niż u rówieśników, którzy takich warunków nie doświadczyli (Heijmans et al., 2008). To odkrycie doprowadziło do kolejnych, zaskakujących wniosków: pomimo tego, iż zmiany epigenetyczne są w teorii odwracalne, zmiany, które są przydatne i zachodzą na etapie rozwoju embrionalnego mogą utrzymywać się nadal na etapie dorosłości nawet wtedy, gdy już nie są przydatne i mogą stać się szkodliwe. Niektóre z tych zmian mogą utrzymywać się na przestrzeni kolejnych pokoleń, wpływając na wnuki narażonych kobiet (Painter et al., 2008).

Rycina 2: Dwie larwy
królowej pszczoły miodnej
pływające w królewskiej
galaretce w królewskiej
komorze.

Larwy królewskie są
karmione królewską
galaretką, która wyzwala
rozwój królewskiego
fenotypu umożliwiającego
reprodukcję.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Waugsberg / Wikimedia
Commons

Wpływ diety we wczesnym okresie życia na epigenetykę jest wyraźnie widoczny również pośród pszczół miodnych. To, co odróżnia bezpłodne pszczoły robotnice od płodnej królowej to nie geny, a ich dieta z okresu larwy (Rycina 2). Larwy przeznaczone do funkcji królowej są wyjątkowo karmione królewską galaretką, substancją wydzielaną przez pszczoły robotnice, która uruchamia program genetyczny, w wyniku którego pszczoła staje się płodna.

Kolejny uderzający przykład wpływu pożywienia na epigenetykę w czasie rozwoju znaleziono u myszy. Osobniki z aktywnym genem agouti mają żółte futerko i tendencję do bycia otyłym. Gen ten jednak można dezaktywować poprzez metylację DNA. Jeśli brzemienna mysz agouti otrzyma suplementy diety, które  mogą uwolnić grupy metylowe – takie jak kwas foliowy czy cholina – geny agouti u potomstwa ulegają metylacji i przestają być aktywne. Młode osobniki nadal noszą w sobie gen agouti, jednak tracą fenotyp agouti: mają brązowe futerko i brak wzrostu tendencji do otyłości (Rycina 3).

Rycina 3: Model myszy
agouti. Fenotyp zależy od
diety matki w czasie ciąży.
A: Zazwyczaj gen agouti jest
powiązany z żółtym
futerkiem i tendencją do
otyłości. B: myszy urodzone
przez matkę, która w czasie
ciąży otrzymywała
suplementy diety bogate w
donorów metylowych
posiadają metylowany, a tym
samym nieaktywny gen
agouti, co w efekcie daje
szczupły fenotyp o
brązowym futerku.

Zdjęcie dzięki uprzejmościf
Cristina Florean

Niedobór kwasu foliowego jest również związany z uwarunkowaniami rozwojowymi w organizmie człowieka, takimi jak rozszczep kręgosługa, czy innymi wadami cewy nerwowej. Aby zapobiec takim problemom, zaleca się suplementowanie kwasem foliowym zarówno kobietom ciężarnym, jak i tym, które dopiero będą chciały zajść w ciążę (zobacz Hayes i in., 2009).

Jaki wpływ na epigenetykę ma odżywianie się w przypadku dorosłego osobnika? Wiele elementów pożywienia ma możliwość wywołania zmian w ludzkiej epigenetyce. Na przykład brokuły i inne warzywa krzyżowe zawierają izotiocyjaniany, które mogą zintensyfikować acetylację histonów. Z kolei soja zawiera izoflawon genisteinę, który wstrzymuje metylację DNA w niektórych genach. Obecny w zielonej herbacie polifenol, galusan epigallokatechiny, ma wiele właściwości biologicznych, w tym działa jako inhibitor metylacji DNA. Curcumin, składnik znaleziony w kurkumie (Curcuma longa), wpływa wielorako na aktywność genów, bowiem z jednej strony wstrzymuje metylację DNA, a jednocześnie moduluje acetylację histonów. Rycina 4 przestawia dalsze przykłady epigenetycznie aktywnych cząsteczek.

Targ owocowy w Hiszpanii
Zdjęcie dzięki uprzejmości
Marcel Theisen / Wikimedia
Commons

Większość informacji zebranych na temat tych składników pochodzi z eksperymentów in vitro. Czyste związki testowano na liniach komórkowych, prowadząc jednocześnie pomiar efektów występujących na epigenetycznych celach. Pozostaje udowodnić, że spożywanie odpowiedniego pożywienia da tak samo wiarodajne efekty jak te, które zaobserwowano na komórkach (Gerhauser, 2013).

Z drugiej strony, badania epidemiologiczne sugerują, że populacje spożywające duże ilości nietórych z wymienionych produktów zdają się być mniej odporne na pewne choroby (Siddiqui i in., 2007). Jednakowoż większość z tych produktów nie tylko wpływa na epigenetykę, ale również na pozostałe funkcje biologiczne. Jedzenie może zawierać wiele różnych związków biologiczne aktywnych, a tym samym określenie bezpośredniego powiązania pomiędzy aktywnością epigenetyczną, a generalnym wpływem na stan organizmu jest trudne. Co więcej, całe jedzenie ulega w systemie trawiennym wielu transformacjom i trudno jest określić jaka ilość aktywnego składnika tak naprawdę dociera do swojego molekularnego celu.

W wyniku swojego rozległego wpływu, zmiany epigenetyczne biorą udział w rozwoju wielu chorób, w tym niektórych nowotworów I chorób neurologicznych. W momencie, gdy komórki stają się złośliwe lub nowotworowe, modyfikacje epigenetyczne mogą dezaktywować geny supresorowe guza, odpowiedzialne za nadmierną proliferację komórek (Esteller, 2007). Ponieważ te modyfikacje epigenetyczne są odwracalne, dużym zainteresowaniem cieszy się próba znalezienia cząsteczek – szczególnie w źródłach dietetycznych – które mogłyby zniweczyć te szkodliwe zmiany i zapobiec rozwojowi nowotworu.

Wszyscy wiemy, że dieta bogata w owoce i warzywa jest zdrowa dla naszego życia codzienniego, jednak narasta przekonanie, że waga prawidłowego odżywiania się może być większa, znacząco wpływając na jakość zdrowia i długowieczność.

Download

Download this article as a PDF

References

Resources

Author(s)

Cristina Florean uzyskała tytuł doktora nauk biomedycznych na uniwersytetach Padwy oraz Bordeaux. W czasie swoich studiów doktoranckich pracowała nad chorobą Alzheimera oraz optymalizacją bada kontrolnych leków. Przez rok pracowała na Uniwersytecie w Udine, zajmując się nowotworami oraz enzymami epigenetycznymi, a w chwili obecnej pracuje w Luksemburgu, w w Laboratorium Biologii Molekularnej i Komórkowej Biologii Raka (Laboratoire de Biologie Moleculaire et Cellulaire du Cancer) jako doktor habilitowany. Jej aktualnym tematem badań są naturalne związki wykazujące epigenetyczną aktywność jako kandydaci na lekarstwa przeciwnowotworowe oraz epigenetyczne wydarzenia powiązane z rakotwórczością.


Review

Artykuł definiuje powiązanie diety z czasu ciąży ze zmianami w ekspresji genów wynikającymi z mechanizmu acetylacji histonów (intensyfikującą transkrypcję) i metylacji (redukującą transkrypcję). Wykorzystując przykłady ludzi, myszy i pszczół miodnych, artykuł pokazuje jak brak konkretnych składników odzywczych wpływa na rozwój cech u dzieci. Porusza również kwestię wpływu pożywienia na epigenetykę w życiu dorosłych, wymieniając produkty, które znane są z pozytywnego wpływu na zdrowie.

Artykuł można wykorzystać jako podstawę do dyskusji na temat zdrowych nawyków żywieniowych porównanych z niezdrowym jedzeniem, a tym samym zwiększyć świadomość uczniów w zakresie ewentualnych konsekwencji ich własnych nawyków żywieniowych.

Ten artykuł można wykorzystać w trakcie lekcji powtórzeniowej z tematu dotyczącego podstaw ekspresji genów.

Ewentualne pytania:

  • Jaka jest struktura i funkcja histonów?
  • Jakie są główne mechanizmy regulacji ekspresji genów?
  • Jak genotyp wpływa na ekspresję fenotypu?
  • W jaki sposób warunki środowiskowe (wewnętrzne lub zewnętrzne) wpływają na ekspresję genów?
  • Cukrzyca jest dobrym przykładem choroby powiązanej z dietą. Czy możesz opisać powody cukrzycy?

Monica Menesini, Liceo Scientifico Vallisneri Lucca, Italy




License

CC-BY-NC-ND