OVERENÝ OBSAHAutor: MUDr. Karolina Karabin, PhD, molekulárna biologička, laboratórna diagnostika, poradkyňa pre výživu a životný štýl

Môže diéta zmeniť naše gény? Mohli by naše detské traumy ovplyvniť naše deti a vnúčatá? Odpovede na tieto otázky môže poskytnúť epigenetika, teda veda, ktorá študuje tzv epigenetické modifikácie. V súčasnosti sa epigenetické modifikácie považujú za jeden z najdôležitejších objavov v molekulárnej biológii, pretože umožnili pochopiť vzťah medzi genetickým pozadím a environmentálnymi faktormi.

Epigenetikaje veda, ktorá študuje zmeny v génovej expresii, ktoré nevyplývajú zo sekvenčných modifikácií v reťazci DNA. Takéto modifikácie sa nazývajú epigenetické a sú typom molekulárnych markerov, ktoré sú pridané do reťazcov DNA vhodnými enzýmami, napríklad metyltransferázami.

Pomocou epigenetických modifikácií môže telo riadiť priebeh mnohých kľúčových biologických procesov, ako je napríklad vývoj jednotlivých tkanív a orgánov v maternici.

Termín „epigenetika“ prvýkrát použil Waddington v roku 1942. Predpona „epi-“ pochádza z gréckeho slova „nad“, čo vo voľnom preklade znamená niečo, čo je nad klasickou genetikou.

Epigenetika – čo sú to epigenetické modifikácie?

Molekulárne markery pridané do vlákna DNA počas epigenetických modifikácií môžu určiť, či je gén exprimovaný alebo nie, pričom fungujú ako molekulárne „prepínače“ a „prepínače“, ktoré regulujú expresiu konkrétnych génov.

Najdôležitejšie je, že tieto typy modifikácií nemenia štruktúru reťazca DNA, t. j. nejde o typ genetickej mutácie, ktorá je ireverzibilná, ale o niečo, čo podlieha dynamickým zmenám pod vplyvom faktorov prostredia.

Okrem toho sa po každom delení buniek a duplikácii reťazca DNA pridávajú alebo odstraňujú vhodné molekulárne markery.

Každá bunka má teda svoj vlastný charakteristický vzor molekulárnych markerov, ktorý určuje jej špecifický profil génovej expresie. Zbierka takýchto molekulárnych markerov jeepigenom .

Najznámejšia epigenetická modifikácia jemetylácia DNA , ktorá zahŕňapripojenie metylovej skupiny k cytozínu (základná zlúčenina, ktorá je súčasťou DNA).

Reverzná epigenetická modifikácia na metyláciu jedemetylácia , ktorá spočíva v odstránení metylovej skupiny z cytozínu

Epigenetika - typy epigenetickej modifikácie

Epigenetické modifikácie môžu priamo ovplyvniť reťazec DNA:

  • metylácia DNA, t.j. spojenie metylových skupín s cytozínom pomocou DNA metyltransferáz
  • demetylácia DNA, t.j. oddelenie metylových skupín cytozínu pomocou DNA demetyláz
  • Okrem toho sú epigenetické modifikácie tvorené proteínmi, na ktorých nie je navinuté nič DNA, t.j. histónmi:
  • metylácia lyzínových a arginínových zvyškov histónov histón metyltransferázami
  • demetylácia lyzínových a arginínových zvyškov histónov históndemetylázami
  • acetylácia histónových lyzínových zvyškov histón acetyltransferázami
  • deacetylácia histónových lyzínových zvyškov históndeacetylázou
  • fosforylácia histónových serínových zvyškov kinázami
  • ubikvitinácia histónových lyzínových zvyškov naviazaním ubikvitínového proteínu na históny pomocou enzýmov E1, E2 a E3
  • ribozylácia histónových glutamínových a arginínových zvyškov zahŕňajúca pripojenie ADP-ribózových nukleotidov pomocou polymerázy a transferázy

Atypické epigenetické modifikácie sú tzv nekódujúce molekuly RNA, napríklad mikroRNA (miRNA). Sú to krátke, jednovláknové molekuly RNA (zlúčeniny podobné DNA), ktoré môžu regulovať génovú expresiu blokovaním tvorby proteínov.

Epigenetika - úloha epigenetických modifikácií

  • zvýšená génová expresia
  • umlčovanie génovej expresie
  • kontrola diferenciácie buniek v tele
  • embryonálny vývoj
  • regulácia stupňa kondenzácie chromatínu, napr. inaktivácia chromozómu X, vďaka čomu je u žien aktívna len jedna kópia pohlavne viazaných génov.

Zaujímavým príkladom úlohy epigenetických modifikácií vo vývoji zvierat sú včely. V tomto hmyze je kráľovná matkou všetkých včiel v jednom úli, čo má za následok, že všetky majú rovnakú sekvenciu DNA.

Napriek tomu je jeden úľ obývaný hmyzom, ktorý vyzerá a správa sa inak. Robotníci sú menšie ako kráľovná a majú miernu povahu, zatiaľ čo vojaci sú väčší a agresívni.

Tieto rozdiely sú spôsobené epigenetickými modifikáciami, ktoré určujú vzhľad a správanie včiel prispôsobené úlohe, ktorú zohrávajú v úľovej komunite.

Podobný mechanizmus sa pozoruje počas vývojafetálnych zvierat, keď umlčanie a zosilnenie expresie špecifických génov ovplyvňuje osud danej kmeňovej bunky, či už to bude nervová bunka mozgu alebo epiteliálna bunka žalúdka.

Epigenetika - diéta

Epigenetické modifikácie sa vyskytujú počas života plodu a potom môžu počas života podliehať dynamickým zmenám pod vplyvom faktorov prostredia.

Jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich tvar epigenómu je potrava a jej bioaktívne látky.

Vplyv stravy na epigenetickú modifikáciu bol potvrdený v mnohých predklinických a klinických štúdiách.

Existujú minimálne dva mechanizmy, ktorými môže strava ovplyvniť epigenetickú modifikáciu, najmä proces metylácie:

  • zmenou dostupnosti metylových donorov, ako je S-adenosylmetionín (SAM), ktorý sa syntetizuje v metionínovom cykle z niekoľkých prekurzorov prítomných v potravinách, vrátane metionínu, cholínu a jeho derivátu betaínu, kyseliny listovej a vitamínov B2, B6 a B12. Preto znížená dostupnosť týchto zlúčenín môže viesť k zníženej syntéze SAM a poruchám v procese metylácie
  • moduláciou aktivity enzýmov súvisiacich s metylačným procesom (napr. DNMT metyltransferáza) prostredníctvom konzumácie polyfenolov obsiahnutých v ovocí, zelenine a korení. Príkladmi takýchto zlúčenín sú resveratrol v červenom víne, epigalokatechín galát (EGCG) v zelenom čaji, kurkumín v podzemku kurkumy, genisteín v sójových bôboch, sulforafan v brokolici, kvercetín v citrusových plodoch a pohánka

Vplyv stravy na epigenóm v maternici dokumentoval známy experiment na laboratórnych myšiach „agouti“, ktoré sa vyznačujú žltou farbou srsti a predispozíciou k obezite, cukrovke a rakovine.

Žltá farba srsti týchto myší je akýmsi indikátorom nedostatočnej metylácie génov.

V experimente boli gravidné myši „agouti“ okrem iného kŕmené potravou s vysokým obsahom donorov metylu. kyselina listová a cholín.

Na prekvapenie vedcov sa potomkovia týchto myší nepodobali na svojich rodičov. Prvým viditeľným znakom bola zmena farby srsti na hnedú, no najprekvapivejšie bolo, že myši stratili predispozíciu na choroby, ktorými trpeli ich rodičia.

Ako sa ukázalo, išlo o dôsledok upravenej stravy a obnovenia správnej metylácie DNA.

Tieto pozorovania podporujú skutočnosť, že epigenóm možno zmeniť stravou a môže mať ďalekosiahle zdravotné následky.

V poslednejv priebehu rokov sa tiež preukázala významná úloha črevnej mikroflóry v procese epigenetickej modifikácie

Črevné mikroorganizmy produkujú rôzne bioaktívne látky, napríklad mastné kyseliny s krátkym reťazcom a ich množstvo závisí od druhového zloženia mikrobioty a kvality stravy.

Vysoký prísun prebiotických produktov v strave, ako je rozpustná vláknina, napríklad rezistentný škrob, zvyšuje koncentráciu mastných kyselín s krátkym reťazcom, ktoré priaznivo ovplyvňujú epigenóm črevných epiteliálnych buniek.

Epigenetika - polymorfizmy génu MTHFR

Účinnosť epigenetických modifikácií môže byť ovplyvnená aj genetickými polymorfizmami, t.j. malými zmenami v genóme, ktorých dôsledkom je prítomnosť rôznych génových variantov v ľudskej populácii.

Jedným z dôsledkov genetických polymorfizmov je okrem iného. každý reaguje na živiny inak.

Odhaduje sa, že 15-30% ľudí môže mať zvýšenú potrebu donorov metylu (najmä kyseliny listovej) v dôsledku nepriaznivých polymorfizmov génu MTHFR, ktorý kóduje enzým metyléntetrahydrofolátreduktázu

Tento enzým je zodpovedný za premenu kyseliny listovej na aktívnu formu.

Ľudia s nepriaznivým variantom polymorfizmu génu MTHFR majú narušenú konverziu neaktívnej formy kyseliny listovej na jej aktívnu formu 5-metyltetrahydrofolát (5-MTHF), a preto majú zvýšenú potrebu donorov metylu.

A hoci štúdie jednoznačne nepotvrdili, že by takíto ľudia mohli mať zníženú metyláciu reťazca DNA, v ich prípade stojí za to dbať na dostatočný prísun v strave či dodatočnú suplementáciu darcov metylu, ako je kyselina listová či cholín .

Epigenetika - stres

Nadbytok stresových hormónov, vr. kortizol môže ovplyvniť epigenetické modifikácie v nervovom systéme a zvýšiť riziko psychiatrických porúch.

Bolo zdokumentované, že ľudia trpiaci úzkostnými poruchami, posttraumatickou stresovou poruchou, posttraumatickou stresovou poruchou a depresiou majú charakteristický profil epigenetických modifikácií (hlavne zníženú metyláciu DNA).

Verí sa, že sa u nich vyvinie takýto epigenóm v dôsledku traumatických zážitkov v detstve a/alebo chronických stresových situácií.

Tento epigenetický profil sa v nich udržiava počas celého života a pravdepodobne sa prenáša na deti a vnúčatá (známe ako extragénne dedičstvo).

Epigenetika – vplyv na zdravie

Chyby počas epigenetických modifikácií, ako je umlčanie expresie nesprávneho génu, môžu mať vážne následky na fungovanieorganizmu, napr. spôsobiť rakovinu.

Okrem toho stále viac štúdií naznačuje, že epigenetické modifikácie sa okrem účasti na fyziologických procesoch môžu podieľať na rozvoji chorôb, ako sú:

  • autizmus
  • schizofrénia
  • depresia
  • kardiovaskulárne choroby
  • neurodegeneratívne ochorenia
  • autoimunitné ochorenia
  • alergie

Hľadá sa najmä vzťah medzi epigenetickými modifikáciami, stravou a rizikom niektorých chorôb.

Ukázalo sa, že v maternici sa vyskytujú významné epigenetické modifikácie, ktoré môžu mať dôsledky v dospelosti.

Preto to, čo matka počas tehotenstva je, môže zvýšiť riziko niektorých chorôb a dokonca ovplyvniť ďalšiu generáciu.

Je dokázané, že deti matiek, ktoré boli tehotné počas hladovej zimy v Holandsku v rokoch 1944-1945, mali zvýšené riziko kardiovaskulárnych chorôb, obezity a schizofrénie v porovnaní s deťmi matiek, ktoré nehladovali.

U detí matiek trpiacich hladom sa zistilo o.i. znížená metylácia génu kódujúceho inzulínu podobný rastový faktor 2 (IGF2).

Stojí za to vedieť

Pokroky epigenetiky sú v súčasnosti predmetom intenzívneho výskumu v oblasti výživy. Existuje dokonca nová disciplína zaoberajúca sa vplyvom živín na expresiu génov, t.j.nutrigenomika .

O autoroviKarolina Karabin, MD, PhD, molekulárna biologička, laboratórna diagnostika, Cambridge Diagnostics PolskaPovolaním biológ so špecializáciou na mikrobiológiu a laboratórny diagnostik s viac ako 10-ročnou praxou v laboratórnych prácach. Absolvent Vysokej školy molekulárnej medicíny a člen Poľskej spoločnosti humánnej genetiky Vedúci výskumných grantov v Laboratóriu molekulárnej diagnostiky na Katedre hematológie, onkológie a vnútorných chorôb Lekárskej univerzity vo Varšave. Titul doktora lekárskych vied v odbore lekárska biológia obhájila na 1. lekárskej fakulte Lekárskej univerzity vo Varšave. Autor mnohých vedeckých a populárno-náučných prác z oblasti laboratórnej diagnostiky, molekulárnej biológie a výživy. Denne ako špecialista v oblasti laboratórnej diagnostiky vedie obsahové oddelenie v Cambridge Diagnostics Polska a spolupracuje s tímom nutričných špecialistov na CD Dietary Clinic. Svoje praktické poznatky z diagnostiky a diétnej terapie chorôb zdieľa s odborníkmi na konferenciách, školeniach, v časopisoch a na webových stránkach. Zaujíma ju najmä vplyv moderného životného štýlu na molekulárne procesy v tele.

Prečítajte si ďalšie články tohto autora

Kategórie:

Genetické choroby