Может ли диета изменить наши гены? Могут ли наши детские травмы повлиять на наших детей и внуков? Ответы на эти вопросы может дать эпигенетика, т.е. наука, изучающая так называемые эпигенетические модификации. В настоящее время эпигенетические модификации считаются одним из важнейших открытий в молекулярной биологии, поскольку они позволили нам понять взаимосвязь между генетическим фоном и факторами окружающей среды.
Эпигенетика - это отрасль науки, изучающая изменения в экспрессии генов, которые не являются результатом модификации последовательности в цепи ДНК. Такие модификации называются эпигенетическими и представляют собой тип молекулярных меток, которые добавляются к цепи ДНК соответствующими ферментами, например метилтрансферазами.
С помощью эпигенетических модификаций организм может управлять ходом многих ключевых биологических процессов, таких как развитие отдельных тканей и органов во внутриутробном периоде.
Термин «эпигенетика» был впервые использован Уоддингтоном в 1942 году. Приставка «эпи-» происходит от греческого слова «сверх», что приблизительно переводится как нечто, выходящее за рамки классической генетики.
Эпигенетика - что такое эпигенетические модификации?
Молекулярные маркеры, добавляемые к цепям ДНК во время эпигенетических модификаций, могут определять, экспрессируется данный ген или нет, действуя как молекулярные переключатели «вкл» и «выкл», которые регулируют экспрессию отдельных генов.
Самое главное, что эти виды модификаций не изменяют структуру нити ДНК, т.е. являются не разновидностью генетической мутации, которая необратима, а чем-то, что претерпевает динамические изменения под воздействием факторов внешней среды.
Кроме того, соответствующие молекулярные метки добавляются или удаляются после каждого клеточного деления и удвоения цепи ДНК.
Таким образом, каждая клетка имеет свой собственный характерный набор молекулярных маркеров, который определяет ее специфический профиль экспрессии генов. Набор таких молекулярных тегов:эпигеном.
Наиболее известной эпигенетической модификацией являетсяметилирование ДНК, заключающееся в присоединении метильной группы к цитозину (основному соединению ДНК).
Обратной эпигенетической модификацией метилирования являетсядеметилирование, заключающееся в удалении метильной группы из цитозина.
Эпигенетика - виды эпигенетических модификаций
Эпигенетические модификации могут напрямую влиять на нити ДНК:
- Метилирование ДНК, т.е. присоединение метильных групп к цитозину с помощью ДНК-метилтрансфераз
- Деметилирование ДНК, т.е. деметилирование метильных групп цитозина ДНК-деметилазами
- Кроме того, эпигенетическим модификациям подвержены белки, на которые намотана нить ДНК, т.е. гистоны:
- метилирование лизиновых и аргининовых остатков гистонов гистонметилтрансферазами
- деметилирование лизиновых и аргининовых остатков гистонов гистондеметилазами
- ацетилирование остатков лизина гистонов гистон-ацетилтрансферазами
- деацетилирование остатков лизина гистонов с помощью гистондеацетилазы
- фосфорилирование сериновых остатков гистонов киназами
- убиквитинирование остатков лизина гистонов путем присоединения белка убиквитина к гистонам ферментами E1, E2 и E3
- рибозилирование остатков глутамина и аргинина гистонов путем присоединения нуклеотидов АДФ-рибозы полимеразой и трансферазой
Необычной эпигенетической модификацией является так называемая некодирующие молекулы РНК, например, микроРНК (миРНК). Это короткие одноцепочечные молекулы РНК (ДНК-подобные соединения), которые могут регулировать экспрессию генов, блокируя образование белков.
Эпигенетика - роль эпигенетических модификаций
- улучшенная экспрессия генов
- заглушение экспрессии генов
- контроль дифференцировки клеток в организме
- эмбриональное развитие
- регуляция степени конденсации хроматина, например, инактивация Х-хромосомы, благодаря которой у женщин активна только одна копия сцепленных с полом генов.
Интересным примером роли эпигенетических модификаций в развитии животных являются пчелы. У этих насекомых королева является матерью всех пчел в одном улье, вследствие чего все они имеют одинаковую последовательность ДНК.
Однако один улей населен насекомыми, которые выглядят и ведут себя по-разному. Рабочие меньше королевы и имеют кроткий нрав, а солдаты крупнее и агрессивнее.
Эти различия вызваны эпигенетическими модификациями, которые определяют внешний вид и поведение пчел, адаптированных к той роли, которую они играют в улье.
Аналогичный механизм наблюдается во время внутриутробного развития животных, когда замалчивание и усиление экспрессии специфических генов влияет на судьбу данной стволовой клетки, будь то нервная клетка головного мозга или клетка эпителия желудка.
Эпигенетика - диета
Эпигенетические модификации возникают уже во время внутриутробной жизни, а затем могут претерпевать динамические изменения на протяжении всей жизни под влиянием факторов внешней среды.
Одним из важнейших факторов, влияющих на форму эпигенома, является пища и содержащиеся в ней биоактивные вещества.
Влияние диеты на эпигенетические модификации было подтверждено во многих доклинических и клинических исследованиях.
Есть как минимум два механизма, с помощью которых диета может влиять на эпигенетические модификации, в основном на процесс метилирования:
- путем изменения доступности доноров метила, таких как S-аденозилметионин (SAM), который синтезируется в метиониновом цикле из нескольких предшественников, присутствующих в пище, включая метионин, холин и его производное бетаин, фолиевую кислоту и витамины B2, В6 и В12. Следовательно, снижение доступности этих соединений может привести к снижению синтеза SAM и нарушению метилирования
- путем модулирования активности ферментов, связанных с процессом метилирования (например, метилтрансферазы DNMT), за счет потребления полифенолов, содержащихся во фруктах, овощах и специях. Примерами таких соединений являются ресвератрол, содержащийся в красном вине, галлат эпигаллокатехина (EGCG), содержащийся в зеленом чае, куркумин, содержащийся в корневищах куркумы, генистеин, содержащийся в соевых бобах, сульфорафан, содержащийся в брокколи, кверцетин, содержащийся в цитрусовых и гречихе.
Влияние диеты на эпигеном внутриутробной жизни было подтверждено знаменитым экспериментом на лабораторных мышах «агути», для которых характерна желтая шерсть и предрасположенность к ожирению, диабету и раку.
Желтый цвет меха этих мышей является своеобразным индикатором недостаточного метилирования генов.
В эксперименте беременным мышам "агути" давали корм с высоким содержанием доноров метильных групп, например. фолиевая кислота и холин.
К удивлению исследователей, потомство этих мышей не было похоже на своих родителей. Первой заметной особенностью было изменение окраски шерсти на коричневую, но самым удивительным было то, что мыши потеряли предрасположенность к заболеваниям, которыми страдали их родители.
Как оказалось, это результат измененной диеты и восстановления нормального метилирования ДНК.
Эти наблюдения подтверждают тот факт, что эпигеном может быть изменен диетой и может иметь далеко идущие последствия для здоровья.
В последние годы также продемонстрирована значительная роль кишечной микробиоты в процессе эпигенетической модификации.
Кишечные микроорганизмы продуцируют различные биологически активные вещества, например короткоцепочечные жирные кислоты, количество которых зависит от видового состава микробиоты и качества рациона.
Высокое содержание в рационе пребиотических продуктов, таких как растворимые пищевые волокна, например резистентный крахмал, повышает концентрацию короткоцепочечных жирных кислот, оказывающих положительное влияние на эпигеном эпителиальных клеток кишечника.
Эпигенетика - полиморфизмы гена MTHFR
На эффективность эпигенетических модификаций также могут влиять генетические полиморфизмы, т.е. небольшие изменения в геноме, приводящие к наличию в популяции человека различных вариантов генов.
Одним из следствий генетических полиморфизмов является, например. у каждого из нас разная реакция на питательные вещества.
Подсчитано, что у 15-30% людей может быть повышенная потребность в донорах метила (особенно в фолиевой кислоте), вызванная неблагоприятными полиморфизмами гена MTHFR, кодирующего фермент метилентетрагидрофолатредуктазу.
Этот фермент отвечает за превращение фолиевой кислоты в ее активную форму.
У людей с неблагоприятным вариантом полиморфизма гена MTHFR нарушена конверсия неактивной формы фолиевой кислоты в ее активную форму 5-метилтетрагидрофолат (5-MTHF), поэтому у них повышена потребность в донорах метила.
И хотя исследования не подтвердили однозначно, что у таких людей может быть снижено метилирование нитей ДНК, стоит обратить внимание на соответствующее поступление в рацион или дополнительные добавки доноров метильных групп, таких как фолиевая кислота или холин.
Эпигенетика - стресс
Избыток гормонов стресса, в том числе кортизол может влиять на эпигенетические изменения в нервной системе и повышать риск психических расстройств.
Люди, страдающие тревожными расстройствами, посттравматическим стрессовым расстройством, посттравматическим стрессовым расстройством и депрессией, имеют характерный профиль эпигенетических модификаций (в первую очередь снижение метилирования ДНК).
Считается, что этот эпигеном сформирован детской травмой и/или хроническими стрессовыми ситуациями.
Этот эпигенетический профиль сохраняется на протяжении всей жизни и, вероятно, передается детям и внукам (так называемая негенная наследственность).
Эпигенетика - влияние на здоровье
Ошибки в эпигенетической модификации, такие как подавление экспрессии неправильного гена, могут иметь серьезные последствия в функционировании организма, например вызывать рак.
Кроме того, все больше исследований указывают на то, что эпигенетические модификации, помимо участия в физиологических процессах, могут участвовать в развитии таких заболеваний, как:
- аутизм
- шизофрения
- депрессия
- сердечно-сосудистые заболевания
- нейродегенеративные заболевания
- аутоиммунные заболевания
- аллергия
Связь между эпигенетическими модификациями, диетой и риском некоторых заболеваний особенно актуальна.
Было показано, что значительные эпигенетические модификации происходят уже во внутриутробном периоде, что может иметь последствия во взрослой жизни.
Поэтому то, что ест мать во время беременности, может увеличить риск некоторых заболеваний и даже повлиять на последующие поколения.
Доказано, что дети матерей, забеременевших во время голодной зимы в Нидерландах в 1944-1945 гг., имеют повышенный риск сердечно-сосудистых заболеваний, ожирения и шизофрении по сравнению с детьми матерей, не страдавших от голода.
Найдены среди прочих дети матерей, пострадавших от голода. сниженное метилирование гена, кодирующего инсулиноподобный фактор роста 2 (IGF2).
Полезно знать
Достижения эпигенетики в настоящее время являются предметом интенсивных исследований в науке о питании. Есть даже новая дисциплина о том, как питательные вещества влияют на экспрессию генов,нутригеномика..