PĀRBAUDĪTS SATURSAutore: Karolina Karabin, MD, PhD, molekulārais biologs, laboratorijas diagnostikas speciālists, uztura un dzīvesveida konsultants

Vai diēta var mainīt mūsu gēnus? Vai mūsu bērnības traumas var ietekmēt mūsu bērnus un mazbērnus? Atbildes uz šiem jautājumiem var sniegt epiģenētika, t.i., zinātne, kas pēta t.s. epiģenētiskās modifikācijas. Pašlaik epiģenētiskās modifikācijas tiek uzskatītas par vienu no svarīgākajiem atklājumiem molekulārajā bioloģijā, jo tās ļāva izprast saistību starp ģenētisko fonu un vides faktoriem.

Epiģenētikair zinātnes nozare, kas pēta izmaiņas gēnu ekspresijā, kas neizriet no secības modifikācijām DNS virknē. Šādas modifikācijas sauc par epiģenētiskām, un tās ir molekulāro marķieru veids, ko DNS virknēm pievieno atbilstoši fermenti, piemēram, metiltransferāzes.

Ar epiģenētisku modifikāciju palīdzību organisms var kontrolēt daudzu galveno bioloģisko procesu norisi, piemēram, atsevišķu audu un orgānu attīstību dzemdē.

Terminu "epiģenētika" pirmo reizi izmantoja Vadingtons 1942. gadā. Prefikss "epi-" cēlies no grieķu vārda "virs", kas brīvi tulkots nozīmē kaut ko tādu, kas ir augstāks par klasisko ģenētiku.

Epiģenētika - kas ir epiģenētiskās modifikācijas?

Molekulārie marķieri, kas pievienoti DNS virknei epiģenētisko modifikāciju laikā, var noteikt, vai gēns ir vai nav ekspresēts, darbojoties kā molekulāri "slēdži" un "slēdži", kas regulē noteiktu gēnu ekspresiju.

Vissvarīgākais ir tas, ka šāda veida modifikācijas nemaina DNS virknes struktūru, t.i., tie nav neatgriezeniskas ģenētiskas mutācijas veids, bet gan kaut kas tāds, kas vides faktoru ietekmē piedzīvo dinamiskas izmaiņas.

Turklāt pēc katras šūnu dalīšanās un DNS virknes dublēšanās tiek pievienoti vai noņemti atbilstoši molekulārie marķieri.

Tādējādi katrai šūnai ir savs raksturīgs molekulāro marķieru modelis, kas nosaka tās specifisko gēnu ekspresijas profilu. Šādu molekulāro marķieru kolekcija irepigenom .

Vispazīstamākā epiģenētiskā modifikācija irDNS metilēšana , kas ietvermetilgrupas pievienošana citozīnam (bāziskam savienojumam, kas ir daļa no DNS).

Metilēšanas apgrieztā epiģenētiskā modifikācija irdemetilēšana , kas sastāv no metilgrupas atdalīšanas no citozīna.

Epiģenētika - epiģenētiskās modifikācijas veidi

Epiģenētiskās modifikācijas var tieši ietekmēt DNS virkni:

  • DNS metilēšana, t.i., metilgrupu savienošana ar citozīnu, izmantojot DNS metiltransferāzes
  • DNS demetilēšana, t.i., citozīna metilgrupu atdalīšana ar DNS demetilāzes palīdzību
  • Turklāt epiģenētiskās modifikācijas tiek veiktas no proteīniem, uz kuriem nekas nav uztīts DNS, t.i., histoni:
  • histonu lizīna un arginīna atlikumu metilēšana ar histona metiltransferāzēm
  • histonu lizīna un arginīna atlikumu demetilēšana ar histona demetilāzēm
  • histona lizīna atlikumu acetilēšana ar histona acetiltransferāzēm
  • histona lizīna atlieku dezacetilēšana ar histona dezacetilāzi
  • histona serīna atlieku fosforilēšana ar kināžu palīdzību
  • histona lizīna atlikumu ubikvitinācija, pievienojot ubikvitīna proteīnu histoniem, izmantojot enzīmus E1, E2 un E3
  • histona glutamīna un arginīna atlieku ribosilēšana, kas ietver ADP-ribozes nukleotīdu piesaisti, izmantojot polimerāzi un transferāzi

Netipiskas epiģenētiskās modifikācijas ir tā sauktās nekodējošas RNS molekulas, piemēram, mikroRNS (miRNS). Tās ir īsas, vienpavedienu RNS molekulas (DNS līdzīgi savienojumi), kas var regulēt gēnu ekspresiju, bloķējot proteīnu veidošanos.

Epiģenētika - epiģenētisko modifikāciju loma

  • uzlabota gēnu ekspresija
  • gēnu ekspresijas apklusināšana
  • šūnu diferenciācijas kontrole organismā
  • embrionālā attīstība
  • hromatīna kondensācijas pakāpes regulēšana, piemēram, X hromosomas inaktivācija, pateicoties kam sievietēm ir aktīva tikai viena ar dzimumu saistītu gēnu kopija.

Interesants piemērs epiģenētisko modifikāciju lomai dzīvnieku attīstībā ir bites. Šajos kukaiņos karaliene ir visu bišu māte vienā stropā, kā rezultātā tām visām ir vienāda DNS secība.

Tomēr vienā stropā mīt kukaiņi, kas izskatās un uzvedas savādāk. Strādnieki ir mazāki par karalieni un ar maigu raksturu, savukārt karavīri ir lielāki un agresīvi.

Šīs atšķirības izraisa epiģenētiskas modifikācijas, kas nosaka bišu izskatu un uzvedību, kas pielāgota lomai, ko tās spēlē stropu sabiedrībā.

Līdzīgs mehānisms tiek novērots izstrādes laikāaugļa dzīvnieki, kad konkrētu gēnu apklusināšana un ekspresijas pastiprināšana ietekmē konkrētās cilmes šūnas likteni neatkarīgi no tā, vai tā būs smadzeņu nervu šūna vai kuņģa epitēlija šūna.

Epiģenētika - diēta

Epiģenētiskās modifikācijas notiek augļa dzīves laikā un pēc tam var tikt pakļautas dinamiskām izmaiņām dzīves laikā vides faktoru ietekmē.

Viens no svarīgākajiem faktoriem, kas ietekmē epigenoma formu, ir pārtika un tās bioaktīvās vielas.

Uztura ietekme uz epiģenētisko modifikāciju ir apstiprināta daudzos preklīniskos un klīniskos pētījumos.

Ir vismaz divi mehānismi, ar kuriem uzturs var ietekmēt epiģenētisko modifikāciju, galvenokārt metilēšanas procesu:

  • mainot metildonoru, piemēram, S-adenozilmetionīna (SAM), pieejamību, kas tiek sintezēts metionīna ciklā no vairākiem pārtikā esošajiem prekursoriem, tostarp metionīna, holīna un tā atvasinājuma betaīna, folijskābes un B2 vitamīna, B6 un B12. Tāpēc šo savienojumu samazinātā pieejamība var izraisīt samazinātu SAM sintēzi un traucējumus metilēšanas procesā
  • modulējot ar metilēšanas procesu saistīto enzīmu (piemēram, DNMT metiltransferāzes) aktivitāti, patērējot augļos, dārzeņos un garšvielās esošos polifenolus. Šādu savienojumu piemēri ir resveratrols sarkanvīnā, epigallokatehīna gallāts (EGCG) zaļajā tējā, kurkumīns kurkuma sakneņos, genisteīns sojas pupās, sulforafāns brokoļos, kvercetīns citrusaugļos un griķos

Uztura ietekme uz epigenomu dzemdē tika dokumentēta slavenajā eksperimentā ar "agouti" laboratorijas pelēm, kurām ir raksturīga dzeltena apmatojuma krāsa un nosliece uz aptaukošanos, diabētu un vēzi.

Šo peļu kažokādas dzeltenā krāsa ir sava veida nepietiekamas gēnu metilēšanas indikators.

Eksperimentā grūsnām "agouti" pelēm, cita starpā, tika barota barība ar augstu metildonoru saturu. folijskābe un holīns.

Zinātniekiem par pārsteigumu, šo peļu pēcnācēji nelīdzinājās viņu vecākiem. Pirmā pamanāmā iezīme bija apmatojuma krāsas maiņa uz brūnu, bet pats pārsteidzošākais bija tas, ka peles zaudēja noslieci uz slimībām, ar kurām slimoja viņu vecāki.

Kā izrādījās, tās bija modificētas diētas un pareizas DNS metilēšanas atjaunošanas sekas.

Šie novērojumi apstiprina faktu, ka epigenomu var mainīt ar uzturu, un tam var būt tālejošas sekas veselībai.

Pēdējāgadu gaitā ir pierādīta arī zarnu mikrobiotas nozīmīga loma epiģenētiskās modifikācijas procesā.

Zarnu mikroorganismi ražo dažādas bioaktīvas vielas, piemēram, īsās ķēdes taukskābes, un to daudzums ir atkarīgs no mikrobiotas sugu sastāva un uztura kvalitātes.

Liels prebiotisko produktu daudzums uzturā, piemēram, šķīstošās diētiskās šķiedras, piemēram, rezistentā ciete, palielina īso ķēžu taukskābju koncentrāciju, kas pozitīvi ietekmē zarnu epitēlija šūnu epigenomu.

Epiģenētika - MTHFR gēnu polimorfismi

Epiģenētisko modifikāciju efektivitāti var ietekmēt arī ģenētiskie polimorfismi, t.i., nelielas izmaiņas genomā, kuru sekas ir dažādu gēnu variantu klātbūtne cilvēku populācijā.

Viena no ģenētisko polimorfismu sekām cita starpā ir. katra cilvēka reakcija uz uzturvielām ir atšķirīga.

Tiek lēsts, ka 15-30% cilvēku var būt palielināta vajadzība pēc metildonoriem (īpaši folijskābes) nelabvēlīgo MTHFR gēna polimorfismu dēļ, kas kodē enzīmu metilēntetrahidrofolāta reduktāzi

Šis ferments ir atbildīgs par folijskābes pārvēršanu tās aktīvajā formā.

Cilvēkiem ar nelabvēlīgu MTHFR gēna polimorfisma variantu ir traucēta folijskābes neaktīvās formas pārvēršanās par tās aktīvo formu 5-metiltetrahidrofolātu (5-MTHF), tāpēc viņiem ir palielināta vajadzība pēc metildonoriem.

Un, lai gan pētījumi nav viennozīmīgi apstiprinājuši, ka šādiem cilvēkiem varētu būt samazināta DNS virkņu metilēšana, viņu gadījumā ir vērts pievērst uzmanību adekvātam uzturam vai papildu metildonoru, piemēram, folijskābes vai holīna, piedevām.

Epiģenētika - stress

Stresa hormonu pārpalikums, t.sk. kortizols var ietekmēt epiģenētiskās modifikācijas nervu sistēmā un palielināt psihisku traucējumu risku.

Ir dokumentēts, ka cilvēkiem, kuri cieš no trauksmes traucējumiem, pēctraumatiskā stresa traucējumiem, pēctraumatiskā stresa traucējumiem un depresijas, ir raksturīgs epiģenētiskās modifikācijas profils (galvenokārt samazināta DNS metilēšana).

Tiek uzskatīts, ka viņiem šāds epigenoms attīstās bērnības traumatiskas pieredzes un/vai hronisku stresa situāciju rezultātā.

Šis epiģenētiskais profils viņos tiek saglabāts visu mūžu un, iespējams, tiek nodots bērniem un mazbērniem (pazīstams kā ekstragēns mantojums).

Epiģenētika - ietekme uz veselību

Kļūdas epiģenētisko modifikāciju laikā, piemēram, nepareiza gēna ekspresijas apklusināšana, var radīt nopietnas sekasorganisms, piemēram, izraisīt vēzi.

Turklāt arvien vairāk pētījumu liecina, ka epiģenētiskās modifikācijas papildus dalībai fizioloģiskajos procesos var piedalīties tādu slimību attīstībā kā:

  • autisms
  • šizofrēnija
  • depresija
  • sirds un asinsvadu slimības
  • neirodeģeneratīvas slimības
  • autoimūnas slimības
  • alerģijas

Īpaši tiek meklēta saistība starp epiģenētiskajām modifikācijām, uzturu un noteiktu slimību risku.

Ir pierādīts, ka nozīmīgas epiģenētiskas modifikācijas notiek dzemdē, kas var ietekmēt pieaugušo vecumu.

Tāpēc tas, ko māte ēd grūtniecības laikā, var palielināt noteiktu slimību risku un pat ietekmēt nākamo paaudzi.

Ir pierādīts, ka māšu bērniem, kuras bija grūtnieces bada ziemā Nīderlandē no 1944. līdz 1945. gadam, bija paaugstināts sirds un asinsvadu slimību, aptaukošanās un šizofrēnijas risks, salīdzinot ar to māšu bērniem, kuras nebija badājušas.

Tādu māšu bērniem, kuras cieš no bada, cita starpā tika konstatēts, samazināta gēna, kas kodē insulīnam līdzīgo augšanas faktoru 2 (IGF2) metilēšana.

Vērts zināt

Epiģenētikas sasniegumi pašlaik tiek intensīvi pētīti uztura zinātnē. Ir pat jauna disciplīna, kas nodarbojas ar uzturvielu ietekmi uz gēnu ekspresiju, t.i.,nutrigenomika .

Par autoruKarolina Karabin, MD, PhD, molekulārais biologs, laboratorijas diagnostikas speciālists, Cambridge Diagnostics PolskaPēc profesijas biologs, specializējies mikrobioloģijā un laboratorijas diagnostikas speciālists ar vairāk nekā 10 gadu pieredzi laboratorijas darbos. Molekulārās medicīnas koledžas absolvents un Polijas Cilvēka ģenētikas biedrības biedrs.Pētniecības stipendiju vadītājs Varšavas Medicīnas universitātes Hematoloģijas, onkoloģijas un iekšējo slimību katedras Molekulārās diagnostikas laboratorijā. Varšavas Medicīnas universitātes 1. Medicīnas fakultātē viņa aizstāvēja medicīnas zinātņu doktora titulu medicīnas bioloģijas jomā. Daudzu zinātnisku un populārzinātnisku darbu autors laboratoriskās diagnostikas, molekulārās bioloģijas un uztura jomā. Ikdienā kā speciālists laboratorijas diagnostikas jomā viņš vada Cambridge Diagnostics Polska satura nodaļu un sadarbojas ar uztura speciālistu komandu CD Diētas klīnikā. Praktiskajās zināšanās par slimību diagnostiku un diētterapiju viņš dalās ar speciālistiem konferencēs, apmācībās, žurnālos un interneta vietnēs. Viņu īpaši interesē mūsdienu dzīvesveida ietekme uz molekulārajiem procesiem organismā.

Lasiet citus šī autora rakstus

Kategorija:

Ģenētiskās slimības