Dědičnost obezity: laboratorní cvičení Teach article

Author(s): Sarah McLusky, Rosina Malagrida, Lorena Valverde

Přeložila Karla Webrová. Přibližně 1,5 miliardy lidí z celého světa má nadváhu nebo jsou přímo obézní. Je to tím, že se přejídáme nebo je vina v genech? Zde vám přinášíme návod, jak prozkoumat dědičnost obezity přímo ve vaší třídě.

Obrázok so súhlasom colros /
Flickr

Více než 10% dospělých lidí na celém světě je obézních, v některých zemích dokonce až 40%. Obezita je velký problém v mnoha směrech, jsou s ní spojenyw1 srdeční choroby, cukrovka 2. typu, rakovina, komplikace v těhotenství, ale take úzkost a deprese.

Změna zastoupení obezity u
dospělých v průběhu let v 11
zemích: procento dospělé
populace s body mass
indexem 30 a vice
Zdroj dat: International
Association for the Study of
Obesity (www.iaso.org)

Za hlavní viníky obezity obvykle považujeme snadno dostupné vysoce kalorické jídlo a sedavý styl života. Možná jsou ale součástí problému i naše geny. V tomto článku se seznámíte s některými ze současných výzkumů dědičnosti obezity a také poznáte metodu izolace DNA, vyvinutou v rámci evropského projektu Xplore Health. To je pro vědce první krok při objevování možných “tlustých genů”.

Pokus s izolací DNA je vhodný pro žáky základní školy na druhém stupni (věk 14-15) nebo pro středoškoláky (věk 16 a vice) a měli by jej stihnout během jedné vyučovací hodiny. Pokud nemáte pro tuto metodu dostatečně vybavenou laboratoř, vyzkoušejte jinou, založenou na stejných principech, která využívá snadněji dostupné suroviny. Můžete použít mražený hrášek (Madden, 2006) nebo kiwiw2. Návod k této aktivitěw5 si můžete stáhnout jako Word nebo PDF soubor z webové stránky Science in School.

Obezita je také dobrý námět, jak vaše studenty seznámit se současnými genetickými výzkumy a s nimi spojenými etickými problémy v souvislosti s jejich vlastní zkušeností. Konec konců, kolik teenagerů nemá rádo fast foody a lenošení před televizí? Další nápady k hlubšímu prozkoumání a využití tohoto tématu jsou k dispozici na webové stránce Xplore Healthw3.

Definice obezity

Člověk je považován za obézního, pokud jeho body mass index (BMI) je 30 a více. Ideální hmotnost se pohybuje v rozsahu hodnot 18,5-25. BMI získáte, pokud vydělíte hmotnost dané osoby v kilogramech druhou mocninou výšky v metrech.

BMI = hmotnost (kg)
        (výška (m))2

Přestože BMI slouží jako užitečný ukazatel tělesné hmotnosti, nezohledňuje různou stavbu těla či množství svalstva. Pokud bychom například sportovce posuzovali pouze pomocí BMI, většina z nich by měla nadváhu.

 

Co s tím mají společného geny?

Je obvyklé, že v rámci rodiny trpí obezitou více členů. Znamená to, že obezita je dědičná nebo prostě jen sdílejí nezdravé stravovací návyky? Studie na dvojčatech přinesly překvapivé výsledky. Obezita může být až ze 70% dědičná. Je mnohem větší pravděpodobnost, že sourozenci se stejnou genetickou výbavou (jednovaječná dvojčata) budou mít také stejnou tělesnou stavbu, než dvojčata dvouvaječná (O’Rahilly & Farooqi, 2006).

Vědci objevili několik variant genů (alel), které by mohly mít něco společného s obezitou. Některé z nich jsou vzácné a postihují pouze malý počet lidí, zatímco jiné jsou poměrně běžné a zvyšují riziko přibývání na váze u velké části populace (tabulka 1).

Tabulka 1: Různé typy genů spojených s obezitou identifikovaných vědci

 

Vzácné varianty monogenů

Běžné varianty polygenů

Vliv na hmotnost

Způsobují velkou nadváhu u malého počtu lidí

Způsobují mírnou nadváhu u velkého počtu lidí

Příklad

Ob gen, Mc4r gene

Fto gen, Tmem18 gen

Souvislost s dalšími klinickými stavy

Mohou souviset se vzácnými chorobami, jako např. vrozený nedostatek leptinu nebo proteinu MC4R

Mohou souviset s některými běžnými chorobami, jako např. cukrovka 2. typu

Metody zkoumání

Studie kandidátních genů, zvířecí studie, sekvenování exomu

Celogenomové asociační studie

Využití

Prenatální genetické testy a genová terapie

Pochopení rizika choroby a prevence přidružených chorob
Obézní myš s nedostatkem
leptinu (vlevo) vedle zdravé
myši (vpravo)
Obrázok so súhlasom US
Department of Energy, Oak
Ridge National Laboratory

Ob gen je monogenní příčina morbidní obezity. Produkuje hormon leptin, který reguluje chuť k jídlu. Lidé, kteří mají mutací poškozené obě dvě alely tohoto genu, nemohou leptin vyrábět, a proto trpí neustálou touhou po jídle. Pokud je jim leptin dodáván injekčně, jejich hmotnost se upraví do normálního stavu. Podobně působí na tělesnou hmotnost mutace genu Mc4r, který je součástí signální dráhy kontrolující pocit sytosti a hladu (O’Rahilly & Farooqi, 2006).

Nicméně, tyto monogenní příčiny obezity jsou poměrně vzácné. Byly ovšem objeveny varianty jiných genů, které se vyskytují běžně, a i když nejsou přímou příčinou obezity, jejich nositelé mají větší riziko přibývání na váze. Mezi ně patří například geny Fto a Tmem18. Studie potvrdily, že lidé s jednou “rizikovou” variantou genu Fto váží průměrně o 1,2kg vice než lidé s variantou jinou. Ti, co mají dvě “rizikové” varianty váží v průměru o 3kg více.

Jsou lidé, kteří nesou tyto běžné “tlusté geny” odsouzení k obezitě nebo se mohou svému osudu vyhnout? Jejich nositelé jsou sice náchylnější k přibývání na váze, ale pomocí zdravé stravy a životního stylu si mohou udržet i zdravou hmotnost.

Vědci zabývající se obezitou se také snaží prozkoumat epigenetiku (interakci mezi geny a prostředím) a způsob, kterým signální dráhy v těle (např. hormony a nervový systém) ovlivňují metabolismus a chování. Doufají, že lepším poznáním procesu vyvolávajícího chuť k jídlu, metabolismu a ukládání tuků, bude možné vyvinout lepší strategie pro kontrolu příjmu potravy u lidí, kteří jsou geneticky předurčení k obezitě.

Studentská aktivita: Izolace vlastní DNA

Kliknutím na obrázok ho
zväčšite.
IObrázok so súhlasom @el taller
interactivo, Parc Científic de
Barcelona

Pomůcky

  • Mikropipety nebo Pasteurovy pipety se stupnicí
    Pokud nemáte mikropipety, můžete použít jednorázové Pasteurovy pipety se stupnicí, které s dostatečnou přesností pro tento pokus umožňují přenést objem menší než 1 ml.
  • Jednorázové očkovací kličky nebo vatové tyčinky na stěry
  • Malá falcon zkumavka nebo skleněná zkumavka se zátkou
  • Falcon zkumavky jsou zkumavky se stupnicí a šroubovacím uzávěrem. Pokud je nemáte, použijte klasické skleněné zkumavky
Obrázok so súhlasom @el taller
interactivo, Parc Científic de
Barcelona
  • Vodní lázeň (optimální teplota 40°C)
  • Dezinfekční prostředek
  • Lytický roztok
  • Roztok proteinázy K
  • Roztok octanu sodného
  • Studený ethanol nebo isopropanol (nechte v lednici dokud nebude potřeba)

Postup

Obrázok so súhlasom @el taller
interactivo, Parc Científic de
Barcelona
  1. Do zkumavky kápněte 1 ml lytického roztoku.
  1. Důkladně otřete kličku nebo tyčinku o vnitřní stěnu tváře a jazyk.
  1. Vložte kličku nebo tyčinku do zkumavky s lytickým roztokem a krouživými pohyby promíchejte, aby se buňky uvolnily.
  1. Kličku nebo tyčinku dejte do dezinfekce.
  1. Krok 2-4 opakujte ještě dvakrát, abyste získali dostatečné množství buňek. Pokaždé použijte novou kličku nebo tyčinku.
Obrázok so súhlasom @el taller
interactivo, Parc Científic de
Barcelona
  1. Přidejte 20 µl (1 kapka, pokud použiváte Pasteurovy pipety) proteinazy K do zkumavky.
  1. Zkumavku uzavřete a několikrát překlopte.
  1. Směs zahřejte ve vodní lázni nebo ponechte 10 minut při pokojové teplotě.
  1. Přidejte 100 µl octanu sodného.
  1. Zkumavku uzavřete a protřepejte.
  1. Přidejte 3 ml studeného ethanolu.
Obrázok so súhlasom @el taller
interactivo, Parc Científic de
Barcelona
  1. Zkumavku uzavřete a velmi pomalu několikrát překlopte.
  1. Vaše DNA se objeví jako bělavá vláknitá sraženina.
 

Bezpečnostní upozornění

Roztoky mohou dráždit oči a pokožku, proto při práci používejte laboratorní plášť, ochranné brýle a rukavice. Sliny mohou být infekční; manipulujte pouze s vlastní kličkou nebo tyčinkou a po použití vydezinfikujte (15 minut).

Likvidace: tekutiny je možné vylít do umyvadla s velkým množstvím vody. Vydezinfikované použité kličky nebo tyčinky lze vyhodit do běžného odpadu.

Otázky k diskuzi

  • Co je to “lýza”? Jaký má význam při izolaci DNA?
  • Lytický pufr obsahuje detergent zvaný SDS. Jakým způsobem podle vás detergent na buňku působí?
  • DNA je v buňce těsně navinutá na různé bílkoviny. Ve kterém kroku se DNA z těchto bílkovin uvolňuje?
  • Jaký poznatek o rozpustnosti DNA vyplývá z posledního kroku?
  • Jak můžeš dokázat, že bílá sraženina je opravdu DNA?

Rozšiřující aktivity

  • Porovnej tuto metodu izolace DNA s jednodušší metodou, ve které se používá mražený hrášek (Madden, 2006) nebo kiwiw2. Jak se od sebe liší? Která z nich funguje lépe. Dokážeš vysvětlit proč? Která z těchto metod se více podobá práci profesionálních genetiků?
  • Jestli DNA obsahuje geny způsobující obezitu se z pouhé izolace nedozvíme. Jaké další testy je třeba udělat? Zjistěte více o technikách používaných v genetickém výzkumu.
  • Rodiče, kteří jsou nositelé vážných dědičných poruch jako cystická fibróza nebo hemofilie si v mnoha zemích mohou před zavedením nechat otestovat embrya, aby zabránili narození takto nemocných dětí. Myslíš si, že by stejnou možnost měli mít i rodiče, jejichž DNA obsahuje “rizikové” geny pro obezitu? Mají tvoji spolužáci stejný názor?

Proč existuje tolik různých metod izolace DNA?

Toto je pouze jedna z mnoha publikovaných metod izolace DNA z buněk (např. Madden, 2006, nebo webová stránka Naked Scientistsw2). Řadí se mezi ně jak velmi jednoduché (používá se mycí prostředek a kuchyňská sůl) tak metody, kde se používají chemikálie známé hlavně molekulárním biologům. Princip izolace je ale ve všech případech stejný: detergent slouží k rozrušení buněčné membrány, enzym rozkládá protein, které drží DNA pevně stočenou a sůl a studený alkohol vytváří prostředí, ve kterém je DNA nerozpustná.

Čím pokročilejší metodu používáte, tím je výsledná DNA čistší. V tom je hlavní rozdíl. Například, v nejjednodušší metodě získáte DNA smíchanou s velkým množstvím pektinu. Je jasné, že vědci zabývající se obezitou i molekulární biologové potřebují své vzorky čisté, jak jen to je možné.

Zdroje a příprava chemikálií

Lytický roztok (50 ml)

  1. Připravte tris pufr obsahující chlorid sodný (TBS) podle pokynů výrobce.
    TBS lze sehnat jako hotový roztok, v tabletách nebo připravit z jednotlivých složekw4.

 

Bezpečnostní upozornění

Doporučujeme použít již hotový roztok dodecylsíranu sodného (SDS), protože práškový SDS je při vdechnutí škodlivý. Pokud používáte práškový SDS, roztok by měl připravit učitel s ochrannou maskou v digestoři. Viz též všeobecné bezpečnostní upozornění Science in School.

  1. Používáte-li hotový 10 % roztok SDS, přidejte 5 ml SDS do 45 ml roztoku TBS.
  2. Používáte-li práškový SDS, rozpusťte 0.5 g v 50 ml roztoku TBS.
  3. Skladujte v lednici, dokud nebude potřeba.

3 M roztok octanu sodného (for 50 ml)

  1. Rozpusťte 12,3 g bezvodého octanu sodného v 50 ml destilované vody.
  2. Přidejte zředěnou HCl, aby se upravilo pH na hodnotu 5,2.
  3. Skladujte v lednici, dokud nebude potřeba.

Proteináza K (100 µg / ml)

  1. Rozpusttě 1mg proteinázy K v 10 ml tris pufru s chloride sodným.
    Enzymu je potřeba pouze malé množství. Pokud máte dostatečně přesné váhy, můžete připravit i menší objem. Stačí, když v poměru upravíte množství použitých látek.
  2. Skladujte v lednici, dokud nebude potřeba.

Dezinfekční roztok

Jako vhodný dezinfekční prostředek můžete použít 0,015 M roztok chlornanu sodného, 1 % roztok Virkon® nebo 5 % roztok Sava. Kličky namáčejte alespoň 15 minut, poté je můžete vyhodit v plastovém sáčku (použijte rukavice) do běžného odpadu.

V tabulce 2 naleznete seznam katalogových čísel použitých chemikálií od Sigma-Aldrich. Můžete je ale sehnat i u jiných dodavatelů.

Tabulka 1: Katalogová čísla Sigma-Aldrich chemických látek použitých v tomto návodu
Chemikálie Katalogové číslo Sigma-Aldrich
Tris pufr s chloridem sodným (TBS) Tablety: T5030 nebo 94158
Dodecylsíran sodný (SDS) Práškový: L3771
10 % roztok: 71736
Octan sodný S2889
Proteináza K P6556

References

Web References

  • ​w1 – Informační list číslo 311 Světové zdravotnické organizace Obesity and Overweight (obezita a nadváha) je k dispozici na webové stránce WHO.
  • w2 –Jednoduchá metoda izolace DNA s použitím kiwi, která nevyžaduje žádné speciální vybavení je k dispozici na webové stránce Naked Scientists.
  • w3 – Metodu izolace DNA, popsanou v tomto článku, stejně tak jako tipy pro učitele, hry a videa která se věnují obezitě i jiným lékařským oborům, si můžete stáhnout na webové stránce Xplore Health. Webová stránka i většina zdrojů jsou k dispozici v angličtině, španělštině, francouzštině, polštině a katalánštině. Xplore Health je evropský vzdělávací project, na kterém se podílí vědci, učitelé, vědecká centra a muzea. Mladým lidem nabízí inovativní multimediální a praktické zkušenosti se špičkovou lékařskou vědou, která překlenuje mezeru mezi výzkumem a vzděláním.

    • Pro další informace o obezitě, jejích příčinách, následcích a léčbě, stejně jako etické, právní a společenské aspekty spojené s obezitou si stáhněte podklady pro učitele, A Crisis of Fat? k dispozici v angličtině, francouzštině, polštině a španělštině) z webové stránky Xplore Health.

  • w4 – Návod na přípravu tris pufru s chloridem sodným z jednotlivých složek je k dispozici na webové stránce Protocols Online.
  • w5 – Stáhněte si:

Resources

Author(s)

Sarach McLusky je popularizátorka vědy na volné noze, redaktorka a poradce ve vzdělávání. Vyučuje také biochemii na Newcastle College, Spojené královtsví.

Rosina Malagrida získala titul z chemie na University of Barcelona, Španělsko a magisterský titul z vědecké komunikace z Imperial College London, Spojené království. Specializuje se na neformální vzdělávací aktivity, které se věnují převážně výzkumu zdraví. V současné době je ředitelka Centre for Public Engagement on Health Research na Irsi Caixa v Barceloně, kde koordinuje evropský vzdělávací portál Xplore Healthw3. Rosina dříve pracovala v Barcelona Science Park a ve vědeckých muzeích v Londýně a Barceloně. Organizovala výstavy, semináře s pokusy a debaty, jejichž cílem je přiblížit vědu lidem.

Lorena Valverde má titul z biologie z University of Barcelona, Španělsko a magisterský titul z imunologie z University of Barcelona a Autonomous University of Barcelona. V současnosti si dělá doktorát z biomedicíny a pracuje jako učitelka na University of Barcelona. Spolupracovala s Xplore Health, pořádala semináře s pokusy pro student a veřejnost v Barcelona Science Park.

Review

Výskyt obezity se celosvětově zvyšuje. Vzrůstající povědomí o tomto problému, změna našich stravovacích návyků a výzkum dědičné predispozice by mohly přispět ke snížení počtu obézních.

Tento článek nám představuje současný výzkum dědičnosti obesity a popisuje praktickou aktivitu vztahující se k tématu. Lze jej využít v hodinách biologie pro mnoho různých témat, např. výchova ke zdraví, dědičnost, výživa, farmakogenomika, individualizovaná léčba založená na přítomnosti určitého genu, statistiky obezity v různých zemích a jejich souvislost se stravou.

Kromě toho, že poskytuje výchozí bod pro diskuzi o obezitě, článek lze využít také pro projekt o výživě, který zahájíme měřením BMI studentů (např. Krotscheck, 2010). V tomto případě může učitel nabídnout zdravější stravovací návyky a přispět tím ke změně postoje studentů.

Vhodné rozšiřující otázky na porozumění textu:

  1. Existuje vztah mezi dědičností a obezitou? Pokud ano, jaký?
  2. Co je fenotyp a genotyp? Jaký je mezi nimi vztah a jak souvisí s životním prostředím?
  3. Jak souvisí epigenetické jevy s fenotypem? Jsou tyto epigenetické změny dědičné?
  4. Může nám znalost našeho genetického kódu pomoci v prevenci obezity?
  5. Správna strava je důležitá pro zdraví. Pokud je tvá hodnota BMI za hranicí ideální váhy, jak můžeš změnit stravovací návyky, abys to napravil?

Panagiotis Stasinakis, 4th Lyceum of Zografou, Řecko

License

CC-BY-NC-SA