Epigeneetika - pärimise saladused. Epigeneetika ja vähk, dieet ja autism

Kas dieet võib muuta meie geene? Kas meie lapsepõlvetraumad võivad mõjutada meie lapsi ja lapselapsi? Nendele küsimustele saab vastuseid anda epigeneetika ehk teadus, mis uurib nn epigeneetilised modifikatsioonid. Praegu peetakse epigeneetilisi modifikatsioone molekulaarbioloogia üheks olulisemaks avastuseks, kuna need võimaldasid mõista geneetilise tausta ja keskkonnategurite suhet.

Sisukord:

1. Epigeneetika - mis on epigeneetilised modifikatsioonid?
2. Epigeneetika - epigeneetiliste modifikatsioonide tüübid
3. Epigeneetika - epigeneetiliste modifikatsioonide roll
4. Epigeneetika - dieet
5. Epigeneetika - MTHFR geeni polümorfismid
6. Epigeneetika - stress
7. Epigeneetika - mõju tervisele

Epigeneetika on teadusharu, mis uurib geeniekspressiooni muutusi, mis pole tingitud järjestuse modifikatsioonidest DNA ahelas. Selliseid modifikatsioone nimetatakse epigeneetilisteks modifikatsioonideks ja need on teatud tüüpi molekulaarsed markerid, mis lisatakse DNA ahelatele sobivate ensüümide, näiteks metüültransferaaside abil.

Epigeneetiliste modifikatsioonide abil saab keha kontrollida paljude peamiste bioloogiliste protsesside kulgu, näiteks spetsiifiliste kudede ja elundite arengut emakas.

Mõistet "epigeneetika" kasutas Waddington esimest korda 1942. aastal. Eesliide "epi-" pärineb kreekakeelsest sõnast "ülal", mis lõdvalt tõlgituna tähendab midagi, mis on klassikalisest geneetikast kõrgemal.

Epigeneetika - mis on epigeneetilised modifikatsioonid?

Epigeneetilise modifitseerimise käigus DNA-ahelale lisatud molekulaarsed markerid võivad otsustada, kas antud geen on ekspresseeritud või mitte, toimides molekulaarsete "lülititena" ja "lülititena", mis reguleerivad teatud geenide ekspressiooni.

Kõige tähtsam on see, et sellised modifikatsioonid ei muuda DNA ahela struktuuri, st need ei ole geneetilised mutatsioonid, mis on pöördumatud, vaid miski, mis keskkonnategurite mõjul läbib dünaamilisi muutusi.

Lisaks lisatakse või eemaldatakse pärast iga rakujagamist ja DNA ahela dubleerimist sobivad molekulaarsed markerid.

Seega on igal rakul oma iseloomulik molekulaarsete markerite muster, mis määrab selle spetsiifilise geeniekspressiooni profiili. Selliste molekulaarsete markerite kogu nimetatakse epigenoomiks.

Tuntuim epigeneetiline modifikatsioon on DNA metüülimine, mis seisneb metüülrühma kinnitamises tsütosiiniga (aluseline ühend, mis on osa DNA-st).

Omakorda on metüleerimise pöördepigeneetiline modifikatsioon demetüülimine, mis seisneb metüülrühma eemaldamises tsütosiinist.

Epigeneetika - epigeneetiliste modifikatsioonide tüübid

Epigeneetilised modifikatsioonid võivad otseselt mõjutada DNA ahelaid:

• DNA metüülimine, see tähendab metüülrühmade kinnitamine tsütosiinile DNA metüültransferaaside abil
• DNA demetüülimine, st metüülrühmade eemaldamine tsütosiinist DNA demetülaaside abil
• Lisaks tehakse epigeneetilisi modifikatsioone valkudest, millele pole haavatud midagi DNA-d, st histoonid:
• histoonide lüsiini ja arginiini jääkide metüülimine histooni metüültransferaasidega
• histoonide lüsiini ja arginiini jääkide demetüülimine histooni demetülaasidega
• histoonlüsiinijääkide atsetüülimine histoonatsetüültransferaasidega
• histoonlüsiinijääkide deatsetüülimine histoondeatsetülaasi abil
• histooni seriinijääkide fosforüülimine kinaaside abil
• histoonlüsiinijääkide ubikvitineerimine, kinnitades ubikvitiinivalgu histoonidele ensüümide E1, E2 ja E3 abil
• histooni glutamiini ja arginiini jääkide ribosüülimine, mis hõlmab ADP-riboosi nukleotiidide kinnitumist polümeraasi ja transferaasi abil

Ebatüüpiline epigeneetiline modifikatsioon on nn mittekodeerivad RNA molekulid, näiteks mikroRNA (miRNA). Need on lühikesed, üheahelalised RNA molekulid (DNA-sarnased ühendid), mis suudavad reguleerida geenide ekspressiooni, blokeerides valkude moodustumise.

Epigeneetika - epigeneetiliste modifikatsioonide roll

• tõhustatud geeniekspressioon
• geeniekspressiooni vaigistamine
• rakkude diferentseerumise kontroll kehas
• embrüonaalne areng
• kromatiini kondenseerumise astme reguleerimine, nt X-kromosoomi inaktiveerimine, tänu millele on naistel aktiivne ainult üks sugulusega seotud geenide koopia.

Mesilased on huvitav näide epigeneetilise modifikatsiooni rollist loomade arengus. Nendes putukates on emand kõigi tarude kõigi mesilaste ema, mille tagajärjel on neil kõigil sama DNA järjestus.

Isegi nii elavad ühes tarus putukad, kes näevad välja ja käituvad erinevalt. Töötajad on kuningannast väiksemad ja leebe iseloomuga, sõdurid aga suuremad ja agressiivsemad.

Need erinevused on põhjustatud epigeneetilistest modifikatsioonidest, mis määravad mesilaste välimuse ja käitumise vastavalt taru koosluses mängitavale rollile.

Sarnast mehhanismi täheldatakse loomade loote arengus, kui konkreetsete geenide vaigistamine ja ekspressiooni suurendamine mõjutab antud tüviraku saatust, olgu selleks siis aju närvirakk või mao epiteelirakk.

Epigeneetika - dieet

Epigeneetilised modifikatsioonid toimuvad juba loote elu jooksul ja võivad seejärel keskkonnategurite mõjul kogu elu jooksul dünaamiliselt muutuda.

Üks olulisemaid epigenoomi kuju mõjutavaid tegureid on toit ja selle bioaktiivsed ained.

Dieedi mõju epigeneetilistele modifikatsioonidele on kinnitatud paljudes prekliinilistes ja kliinilistes uuringutes.

Dieet võib mõjutada epigeneetilist modifitseerimist, peamiselt metüülimisprotsessi, vähemalt kahel viisil:

• muutes metüüldoonorite nagu S-adenosüülmetioniini (SAM) kättesaadavust, mis sünteesitakse metioniinitsüklis mitmetes toidus sisalduvatest lähteainetest, sealhulgas metioniin, koliin ja selle derivaat betaiin, foolhape ning vitamiinid B2, B6 ja B12. Seega võib nende ühendite vähenenud kättesaadavus põhjustada SAM-i sünteesi vähenemist ja metüülimisprotsessi häireid
• metüülimisprotsessiga seotud ensüümide (nt DNMT metüültransferaas) aktiivsuse moduleerimine puuviljades, köögiviljades ja vürtsides sisalduvate polüfenoolide tarbimise kaudu. Selliste ühendite näideteks on resveratrool punases veinis, epigallokatekiingallaat (EGCG) rohelises tees, kurkumiin kurkumi risoomis, genisteiin sojaubades, sulforafaan brokolis, kvertsetiin tsitrusviljades ja tatar

Dieedi mõju epigenoomile emakas dokumenteeriti kuulsa eksperimendiga "agouti" laborihiirtel, mida iseloomustab karvkatte kollane värv ning eelsoodumus rasvumise, diabeedi ja vähi tekkeks.

Nendel hiirtel on karusnaha kollane värv omamoodi indikaator geeni ebapiisavast metüleerimisest.

Katse ajal toideti tiineid "agouti" hiiri teiste hulgas suure metüüldoonorite sisaldusega sööta. foolhape ja koliin.

Teadlaste üllatuseks ei meenutanud nende hiirte järglased oma vanemaid. Esimene märgatav omadus oli karvkatte värvi muutumine pruuniks, kuid kõige üllatavam oli see, et hiired kaotasid eelsoodumuse haigustele, mida nende vanemad põdesid.

Nagu selgus, oli see modifitseeritud dieedi ja normaalse DNA metüülimise taastamise tagajärg.

Need tähelepanekud toetavad asjaolu, et epigenoomi saab muuta dieediga ja sellel võivad olla kaugeleulatuvad tagajärjed tervisele.

Viimastel aastatel on tõestatud ka soolestiku mikrobioota oluline roll epigeneetilise modifitseerimise protsessis.

Soolestiku mikroorganismid toodavad mitmesuguseid bioaktiivseid aineid, näiteks lühikese ahelaga rasvhappeid, ja nende kogus sõltub mikrobiota liigilisest koostisest ja dieedi kvaliteedist.

Dieet sisaldab palju prebiootilisi tooteid, näiteks lahustuvaid kiudaineid, näiteks resistentset tärklist, suurendab lühikese ahelaga rasvhapete kontsentratsiooni, mis mõjutab positiivselt soole epiteelirakkude epigenoomi.

Epigeneetika - MTHFR geeni polümorfismid

Epigeneetiliste modifikatsioonide efektiivsust võivad mõjutada ka geneetilised polümorfismid, s.t väikesed muutused genoomis, mille tagajärjeks on erinevate geenivariantide olemasolu inimpopulatsioonis.

Geneetilise polümorfismi üks tagajärgi on muu hulgas. igaühe erinev reaktsioon toitainetele.

Hinnanguliselt võib 15-30% inimestest olla suurenenud vajadus metüüldoonorite (eriti foolhappe) järele ensüümi metüleenetetrahüdrofolaadi reduktaasi kodeeriva MTHFR geeni ebasoodsate polümorfismide tõttu.

See ensüüm vastutab foolhappe aktiivseks vormiks muundamise eest.

Inimesed, kellel on MTHFR geeni polümorfismi ebasoodne variant, on häirinud foolhappe mitteaktiivse vormi muundamist selle aktiivseks vormiks 5-metüültetrahüdrofolaat (5-MTHF), mistõttu neil on suurenenud vajadus metüüldoonorite järele.

Ja kuigi uuringud ei ole selgelt kinnitanud, et sellistel inimestel võib olla vähenenud DNA ahelate metüülimine, tasub nende puhul pöörata tähelepanu piisavale toidukogusele või metüüldoonorite, näiteks foolhappe või koliini täiendavale toidulisandile.

Epigeneetika - stress

Muuhulgas liigsed stresshormoonid kortisool võib mõjutada närvisüsteemi epigeneetilisi modifikatsioone ja suurendada psühhiaatriliste häirete riski.

On dokumenteeritud, et ärevushäirete, posttraumaatilise stressihäire, traumajärgse stressihäire ja depressiooni all kannatavatel inimestel on iseloomulik epigeneetilise modifikatsiooni profiil (peamiselt vähenenud DNA metüülimine).

Arvatakse, et sellist epigenoomi kujundavad lapseea traumaatilised kogemused ja / või kroonilised stressisituatsioonid.

See epigeneetiline profiil on neis säilinud kogu elu ja tõenäoliselt kandub see edasi lastele ja lastelastele (nn ekstrageenne pärand).

Epigeneetika - mõju tervisele

Vead epigeneetiliste modifikatsioonide ajal, näiteks vale geeni ekspressiooni vaigistamine, võivad põhjustada tõsiseid tagajärgi keha töös, näiteks põhjustada vähki.

Lisaks näitavad üha rohkem uuringuid, et lisaks füsioloogilistes protsessides osalemisele võivad epigeneetilised modifikatsioonid osaleda selliste haiguste arengus nagu:

• autism
• skisofreenia
• depressioon
• südame-veresoonkonna haigused
• neurodegeneratiivsed haigused
• autoimmuunhaigused
• allergiad

Eriti otsitakse seost epigeneetiliste modifikatsioonide, dieedi ja konkreetsete haiguste riski vahel.

On tõestatud, et emakas toimuvad olulised epigeneetilised modifikatsioonid, millel võib olla mõju täiskasvanueas.

Seetõttu võib see, mida ema raseduse ajal sööb, suurendada teatud haiguste riski ja mõjutada isegi järgmist põlvkonda.

On tõestatud, et aastatel 1944–1945 Hollandis näljatalvel rasedate emade lastel oli suurem risk südame-veresoonkonna haiguste, rasvumise ja skisofreenia tekkeks võrreldes nende emade lastega, kes nälga ei kogenud.

Näljaste emade lastel see leiti vähendas insuliinisarnast kasvufaktorit 2 (IGF2) kodeeriva geeni metüülimist.

Tasub teada

Epigeneetika saavutusi uuritakse praegu intensiivselt toitumisteaduses. On isegi uus distsipliin, mis käsitleb toitainete mõju geeniekspressioonile, s.t nutrigenoomikat.

Kirjandus

1. Moosavi A. ja Motevalizadeh A. Epigeneetika roll bioloogias ja inimese haigustes. Iran Biomed J. 2016, 20 (5), 246-258.
2. Choi S. W. ja Friso S. epigeneetika: uus sild toitumise ja tervise vahel. Adv Nutr. 2010, 1 (1), 8–16.
3. Karabin K. Dieedi mõju inimese epigenoomile ehk kuidas dieet muudab geene. Kaasaegne dieetika 15/2018.
4. Dmitrzak-Węglarz M. ja Hauser J. Epigeneetilised mehhanismid vaimuhaiguste ja kognitiivsete häirete korral. Psühhiaatria 2009; 6, 2, 51–60.
5. Poczęta M. jt. Epigeneetilised modifikatsioonid ja geeniekspressioon neoplasmas. Ann. Akad. Med. Siles. 2018.72, 80–89.
6. Glad C. et al. Vähendatud DNA metüülimine ja psühhopatoloogia pärast endogeenset hüperkortisolismi - kogu genoomi hõlmav uuring. Teadusaruanded 2017, 7, 44445.
7. Shin W. et al. Koliini tarbimine, mis ületab praeguseid toitumissoovitusi, säilitab rakkude metüülimise markerid folaadiga kahjustatud meeste geneetilises alarühmas. J Nutr. 2010, 140, 5, 975–980.

Autori kohta

Karolina Karabin, MD, PhD, molekulaarbioloog, laboridiagnost, Cambridge Diagnostics Polska Mikrobioloogia erialale spetsialiseerunud bioloog ja laboridiagnost, kellel on üle 10-aastane laboritöö kogemus. Molekulaarmeditsiini kooli lõpetanud ja Poola inimgeneetika seltsi liige, Varssavi Meditsiiniülikooli hematoloogia, onkoloogia ja sisehaiguste osakonna molekulaardiagnostika laboratooriumi uurimistoetuste juht. Ta kaitses Varssavi Meditsiiniülikooli 1. arstiteaduskonnas arstiteaduse doktori nimetust meditsiinibioloogia alal. Paljude teadus- ja populaarteaduste autor on laboridiagnostika, molekulaarbioloogia ja toitumise valdkonnas. Igapäevaselt juhib ta laboridiagnostika valdkonna spetsialistina Cambridge Diagnostics Polska sisulist osakonda ja teeb koostööd CD-dieedikliiniku dietoloogide meeskonnaga. Ta jagab oma praktilisi teadmisi haiguste diagnostika ja dieetravi kohta spetsialistidele konverentsidel, koolitustel ning ajakirjades ja veebisaitidel. Teda huvitab eriti tänapäevase elustiili mõju keha molekulaarsetele protsessidele.

Lugege selle autori teisi tekste