Hrana koja nas oblikuje: kako prehrana može promijeniti naš epigenom Understand article
Prevela: Silvana Rošić. Ono smo što jedemo, kaže stara poslovica. To, uistinu, jest tako. Naša prehrana može utjecati na male promjene u našem genomu i utjecati na različite bolesti, uključujući rak i pretilost.
Slika dobijena od: mstroeck /
Wikimedia Commons
Kada se gledate u ogledalu možda se pitate: „Kako to da sve stanice u mom tijelu imaju istu DNK, a moji organi izgledaju i funkcioniraju tako različito?“ Odgovor na to pitanje daju nam najnovija istraživanja na području epigenetike. Danas znamo da stanice koriste genetski materijal na različite načine: geni se uključuju i isključuju, što rezultira nevjerojatnom razinom raznolikosti u našim tijelima.
Epigenetika proučava stanične procese koji određuju da li će određeni gen biti prepisan i preveden u odgovarajući protein. To se može postići pomoću malih i reverzibilnih kemijskih preinaka kromatina (Slika 1). Primjerice, dodavanje acetilnih skupina (acetilacija) histonima – proteinima koji namataju DNK, potiče prepisivanje. S druge strane, dodavanje metilnih skupina (metilacija) na regulatorne regije unutar DNK smanjuje razinu prepisivanja. Ove preinake, zajedno sa ostalim regulatornim mehanizmima, su osobito važne tijekom razvoja. Točno vrijeme aktivnosti gena za vrijeme razvoja neophodno je za staničnu diferencijaciju i nastavlja utjecati na organizam čak i kad je potpuno razvijen.
Epigenetičke preinake mogu nastati kao odgovor na poticaje iz okoliša, a jedan od najvažniji takvih poticaja je prehrana. Točan mehanizam utjecaja prehrana na epigenetiku nije u potpunosti razjašnjen, ali neki su primjeri dobro proučeni.
strukture kromatina
uglavnom uključuju
acetilaciju histona i
metilaciju DNK. Histonska
acetilacija potiče
prepisivanje. U slučaju
metilacije DNK, metilne
skupine su kovalentno
vezane za citozin i čine
kromatin manje dostupnim.
Ove promjene su reverzibilne
i dopuštaju prilagođavanje
genetske aktivnosti stanjima
i signalima iz okoliša.
Slika dobijena od: Cristina
Florean
Tijekom zime između 1944. i 1945. godine, Nizozemci su patili od strašne glad zbog njemačke okupacije. Nutritivni unos bio je niži od 1000 kalorija dnevno. Djeca su se rađala čak i u ovakvim uvjetima, a ta su djeca danas odrasli ljudi u šezdesetim godinama života. Na temelju nedavnih studija ustanovljeno je da ovi pojedinci koji su bili izloženi kalorijskom deficitu u majčinom tijelu, imaju višu stopu kroničnih bolesti, kao što su dijabetes, bolesti krvožilnog sustava i pretilost, u usporedbi sa njihovom braćom. Čini se da su prvi mjeseci trudnoće imali najznačajniji utjecaj na rizik od razvoja bolesti.
Kako nešto što se dogodilo prije nečijeg rođenja može toliko utjecati na život 60 godina kasnije? Odgovor leži u epigenetičkim prilagodbama fetusa zbog ograničene dostupnosti nutrijenata
Točna priroda epigenetičkih preinaka još nije razjašnjena, ali otkriveno je da ljudi koji se bili izloženi gladi u majčinu tijelu imaju nižu razinu metilacije gena uključenog u metabolizam inzulina (faktor rasta sličan inzulinu II) od svoje braće (Heijmans et al., 2008). Ovo ima iznenađujuće posljedice: iako su epigenetičke promjene teoretski reverzibilne, neke promjene koje nastaju tijekom razvoja embrija mogu se zadržati i tijekom života odraslog čovjeka, čak i kada nisu više korisne, nego mogu postati i štetne. Neke od ovih promjena mogu se čak i zadržati nekoliko generacija, djelujući na unučad žena izloženih gladi (Painter et al., 2008).
pčela plivaju u matičnoj
mliječi u ćelijama matica.
Ličinke matica se isključivo
hrane matičnom mliječi, što
dovodi do razvoja značajki
matica i omogućava
razmnožavanje.
Slika dobijena od:Waugsberg /
Wikimedia Commons
Utjecaj rane prehrane na epigenetiku također su jasno vidljivi kod pčela. Neplodne pčele radilice i plodne matice se ne razlikuju genetički, već po prehrani u stadiju ličinke (Slika 2). Ličinke koje će postati matice, isključivo se hrane matičnom mliječi, koju proizvode radilice. Takva prehrana vodi do promjene genetskog programa i pčela postaje plodna.
Još jedan upečatljiv primjer utjecaja prehrane na epigenetiku tijekom razvoja pronalazimo kod miševa. Miševi sa aktivnim agouti genom imaju žuto krzno i predispoziciju za pretilost.
No, ovaj gen se može isključiti metilacijom. Ako trudna ženka miša dobiva dodatke prehrane koji sadrže metilnu skupinu, primjerice folnu kiselinu ili kolin, agouti geni u mladuncima postaju metilirani i na taj način neaktivni. Ovi mladunci i dalji imaju agouti gen, ali ne i agouti fenotip: oni imaju smeđe krzno i kod njih nije prisutna predispoziciju za pretilost (Slika 3).
miša ovisi o prehrani majke
tijekom trudnoće. A: U
normalnim uvjetima agouti
gen je povezan sa žutim
krznom i predispozicijom za
pretilost. B: Kod miševa čija
se majka hranila dodatcima
prehrani sa metilnim
skupinama, agouti gen je
metiliran i inaktiviran pa su
miševi normale težine i
imaju smeđe krzno.
Slika dobijena od:Cristina
Florean
Nedovoljni unos folne kiseline također utječe na razvoj čovjeka i može dovesti do stanja kao sto su spina bifida (deformacija kralježničkog stupa) i drugih poremećaja neuralne cijevi. Da bi se izbjegli ovakvi poremećaji, folna kiselina se posebno preporuča trudnicama i ženama koje žele zatrudnjeti Hayes et al., 2009).
Kako prehrana može utjecati na epigenetiku kod odraslih ljudi? Mnogi sastojci hrane su sposobni izazvati epigenetičke promjene kod ljudi. Primjerice, brokula i ostalo povrće iz porodice Cruciferae sadrži izotiocijanide, koji mogu povisiti razinu acetilacije histona. Soja je izvor izoflavona koji se zove genistein i smatra se da može sniziti metilaciju DNK nekih gena. Polifenoli iz zelenog čaja imaju mnoge biološke aktivnosti, primjerice inhibiciju metilacije DNK. Kurkumin, sastojak kurkume (Curcuma longa), može imati raznolike utjecaje na aktivnost gena jer inhibira metilaciju DNK, ali također utječe na acetilaciju histona
Slika dobijena od:Marcel
Theisen / Wikimedia
CommonsCommons
Većina informacija o ovim tvarima koju imamo do sada prikupljena je eksperimentima in vitro. Pročišćene molekule su testirane na staničnim kulturama i izmjereni su njihovi učinci na epigenetičke čimbenike. Još je potrebno dokazati ima li unos ove hrane jednake učinke na čovjeka kao i na staničnu kulturu (Gerhauser, 2013).
Epidemiološke studije pokazuju da populacije koje unose veće količine neke od ove hrane pokazuju smanjenu sklonost određenim bolestima (Siddiqui et al., 2007). No, većina ovih tvari ima utjecaj i na druge biološke funkcije, a ne samo na epigenetiku. Određena hrane može sadržavati različite biološki aktivne tvari pa je teško izravno zaključiti što je utjecaj na epigenetiku, a što je sveukupni utjecaj na tijelo. Osim toga hrana prolazi kroz transformaciju u našem probavnom sustavu i nije poznato koja količina aktivnih tvari zapravo uspije doći do svojih molekularnih ciljeva.
Epigenetičke promjene imaju dalekosežne učinke i zbog toga su često uključene u razvoj mnogih bolesti, kao što su rak i neurološke bolesti. Kada stanice postanu maligne, epigenetičke promjene mogu deaktivirati gene koji su supresori tumora i sprječavaju prekomjernu diobu stanica (Esteller, 2007). Pošto se epigenetičke promjene mogu povratiti na prethodno stanje, postoji veliki interes za pronalazak molekula koje mogu vratiti štetne promjene u prvobitno stanje i spriječiti razvoj tumora.
Svi znamo da je prehrana bogata voćem i povrćem zdrava za svakodnevni život, no čini se da takva prehrana ima značajno veću važnost jer utječe na naše dugoročno zdravlje i životni vijek.
References
- Esteller M (2007) Epigenetic gene silencing in cancer: the DNA hypermethylome. Human Molecular Genetics 16(1): R50-R59. doi:10.1093/hmg/ddm018
- Gerhauser C (2013) Cancer chemoprevention and nutri-epigenetics: state of the art and future challenges. Topics in Current Chemistry 329: 73-132. doi:10.1007/128_2012_360
- Hayes E, Maul H, Freerksen N (2009) Folic acid: why school students need to know about it. Science in School 13: 59-64.
- Heijmans BT et al. (2008) Persistent epigenetic differences associated with prenatal exposure to famine in humans. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA 105: 17046-17049. doi:10.1073/pnas.0806560105
- Painter R et al. (2008) Transgenerational effects of prenatal exposure to the Dutch famine on neonatal adiposity and health in later life. BJOG: An International Journal of Obstetrics & Gynaecology 115: 1243-1249. doi:10.1111/j.1471-0528.2008.01822.x
- Siddiqui IA et al. (2007) Tea beverage in chemoprevention and chemotherapy of prostate cancer. Acta Pharmacol Sinica 28(9): 1392-1408. doi:10.1111/j.1745-7254.2007.00693.x
Resources
- Za jednostavan uvod u epigenetiku, pogledajte:
- McVittie B (2006) Epigenetics. Science in School 2: 62-64.
- Da biste naučili više o prehrani i epigenetici, pogledajte:
- Link A et al. (2010) Cancer chemoprevention by dietary polyphenols: Promising role for epigenetics. Biochemical Pharmacology 80(12): 1771- 1792. doi:10.1016/j.bcp.2010.06.036
- Za više informacija o utjecaju Nizozemske gladi na život odraslih ljudi i metilaciju gena, pogledajte:
- Roseboom TJ et al. (2001) Effects of prenatal exposure to the Dutch famine on adult disease in later life: an overview. Molecular and Cellular Endocrinology 185: 93-8. doi:10.1016/S0303-7207(01)00721-3
- Za zanimljivo i lako čitljivo objašnjene najnovijeg istraživanja epigenetike pčela, pogledajte:
- Chittka A, Chittka L (2010) Epigenetics of royalty. PLOS Biology 8(11): e1000532. doi:10.1371/journal.pbio.1000532.
- PLOS Biology je časopis otvorenog pristupa, tako da je ovaj članak slobodno dostupan na internetu.
- Za više informacija o epigenetici pčela.
- Za jednostavan pregled epigenetike agouti gena kod miševa, pogledajte:
- Adams J (2008) Obesity, epigenetics, and gene regulation. Nature Education 1(1).
- Da biste naučili kako razina hormona tijekom trudnoće može utjecati na spol djeteta, pogledajte:
- Notman (2012) Intersex: falling outside the norm. Science in School 23: 48-52.
Review
Ovaj članak povezuje prehranu tijekom trudnoće sa promjenama u izražavanju gena preko acetilacije histona (što povisuje razinu prepisivanja gena) i metilacije DNK (snižava razinu prepisivanja gena). Koristeći primjere kod ljudi, miševa i pčela, članak navodi kako nedostatak određenih hranjivih tvari može utjecati na razvoj potomaka. Članak također govori o utjecaju epigenetike na odrasle ljudi i navodi hranu koja ima pozitivne učinke na zdravlje.
Ovaj se članak može koristiti kao podloga za raspravu o zdravoj prehrani u usporedbi sa nezdravom hranom, kako bi učenici naučili više o posljedicama njihove prehrane.
Ovaj se članak može koristiti kako biste ponovili sadržaj o izražavanju gena.
Pitanja koja možete postaviti:
- Koja je struktura i funkcija histona?
- Koji je glavni mehanizam regulacija izražavanja gena?
- Kako genotip utječe na izražavanje fenotipa?
- Kako uvjeti u okolišu (vanjski ili unutarnji) utječu na izražavanje gena?
- Dijabetes je primjer bolesti koja je povezana sa prehranom. Možete li objasniti što uzrokuje dijabetes?
Monica Menesini, Liceo Scientifico Vallisneri Lucca, Italija