Epigenetik - arvshemligheter. Epigenetik och cancer, diet och autism

Kan kost förändra våra gener? Kan våra barndomstraumor påverka våra barn och barnbarn? Svar på dessa frågor kan tillhandahållas av epigenetik, det vill säga vetenskapen som studerar den så kallade epigenetiska modifieringar. För närvarande anses epigenetiska modifieringar vara en av de viktigaste upptäckterna inom molekylärbiologi, eftersom de möjliggjorde förståelse för sambandet mellan genetisk bakgrund och miljöfaktorer.

Innehållsförteckning:

1. Epigenetik - vad är epigenetiska modifieringar?
2. Epigenetik - typer av epigenetiska modifieringar
3. Epigenetik - rollen av epigenetiska modifieringar
4. Epigenetik - diet
5. Epigenetik - MTHFR-genpolymorfier
6. Epigenetik - stress
7. Epigenetik - påverkan på hälsan

Epigenetik är en gren av vetenskapen som studerar förändringar i genuttryck som inte beror på sekvensändringar i DNA-strängen. Sådana modifieringar kallas epigenetiska modifieringar och de är en typ av molekylära markörer som adderas till DNA-strängar av lämpliga enzymer, t.ex. metyltransferaser.

Med hjälp av epigenetiska modifieringar kan kroppen kontrollera förloppet för många viktiga biologiska processer, såsom utveckling av specifika vävnader och organ i livmodern.

Uttrycket "epigenetik" användes först av Waddington 1942. Prefixet "epi-" kommer från det grekiska ordet "ovan", som löst översatt betyder något som ligger över klassisk genetik.

Epigenetik - vad är epigenetiska modifieringar?

Molekylära markörer som läggs till en DNA-sträng under epigenetisk modifiering kan avgöra om en given gen uttrycks eller inte, och fungerar som molekylära "switchar" och "switchar" som reglerar uttrycket av specifika gener.

Viktigast är att dessa typer av modifieringar inte förändrar strukturen för DNA-strängen, dvs de är inte en typ av genetisk mutation som är irreversibel, utan något som genomgår dynamiska förändringar under påverkan av miljöfaktorer.

Dessutom tillsätts eller avlägsnas lämpliga molekylära markörer efter varje celldelning och DNA-strängdubblering.

Följaktligen har varje cell sitt eget karaktäristiska mönster av molekylära markörer som bestämmer dess specifika genuttrycksprofil. Samlingen av sådana molekylära markörer kallas epigenomen.

Den mest kända epigenetiska modifieringen är DNA-metylering, som består i att fästa en metylgrupp till cytosin (en basisk förening som ingår i DNA).

I sin tur är den omvända epigenetiska modifieringen av metylering demetylering, som består i att avlägsna metylgruppen från cytosinet.

Epigenetik - typer av epigenetiska modifieringar

Epigenetiska modifieringar kan direkt påverka DNA-strängarna:

• DNA-metylering, dvs bindning av metylgrupper till cytosin med DNA-metyltransferaser
• DNA-demetylering, dvs. avlägsnande av metylgrupper från cytosin med hjälp av DNA-demetylaser
• Dessutom görs epigenetiska modifieringar av proteiner på vilka inget DNA lindas, dvs histoner:
• metylering av lysin och argininrester av histoner med histonmetyltransferaser
• demetylering av lysin- och argininrester av histoner med histondemetylaser
• acetylering av histonlysinrester med histonacetyltransferaser
• deacetylering av histonlysinrester med histondeacetylas
• fosforylering av histonserinrester med kinaser
• ubiquitination av histonlysinrester genom att fästa ubiquitinprotein till histoner med användning av enzymerna E1, E2 och E3
• ribosylering av histonglutamin och argininrester involverande bindning av ADP-ribosnukleotider med användning av polymeras och transferas

Atypisk epigenetisk modifiering är den så kallade icke-kodande RNA-molekyler, t.ex. microRNA (miRNA). De är korta, enkelsträngade RNA-molekyler (DNA-liknande föreningar) som kan reglera genuttryck genom att blockera bildandet av proteiner.

Epigenetik - rollen av epigenetiska modifieringar

• förbättrat genuttryck
• tysta genuttryck
• kontroll av celldifferentiering i kroppen
• embryonal utveckling
• reglering av graden av kromatinkondensation, t.ex. inaktivering av X-kromosomen, tack vare vilken endast en kopia av könsbundna gener hos kvinnor är aktiva hos kvinnor.

Bin är ett intressant exempel på rollen som epigenetisk modifiering i djurutvecklingen. I dessa insekter är drottningen mor till alla bin i en bikupa, med följden att de alla har samma DNA-sekvens.

Ändå är en bikupa bebodd av insekter som ser ut och beter sig annorlunda. Arbetarna är mindre än drottningen och har ett mildt humör, medan soldaterna är större och aggressiva.

Dessa skillnader orsakas av epigenetiska modifieringar som bestämmer utseendet och beteendet hos bin anpassade till den roll de spelar i bikupan.

En liknande mekanism observeras under fosterutvecklingen hos djur, när tystnad och förstärkning av uttrycket av specifika gener påverkar ödet för en given stamcell, vare sig det är en hjärnans nervcell eller en gastrisk epitelcell.

Epigenetik - diet

Epigenetiska modifieringar uppträder redan under fostrets liv och kan sedan genomgå dynamiska förändringar under hela livet under påverkan av miljöfaktorer.

En av de viktigaste faktorerna som påverkar epigenomens form är mat och dess bioaktiva ämnen.

Kostens inverkan på epigenetiska modifieringar har bekräftats i många prekliniska och kliniska studier.

Det finns minst två mekanismer genom vilka diet kan påverka epigenetisk modifiering, främst metyleringsprocessen:

• genom att ändra tillgängligheten av metylgivare som S-adenosylmetionin (SAM), som syntetiseras i metionincykeln från flera föregångare i livsmedel, inklusive metionin, kolin och dess derivat betain, folsyra och vitaminerna B2, B6 och B12. Följaktligen kan minskad tillgänglighet av dessa föreningar resultera i minskad SAM-syntes och störning av metyleringsprocessen
• genom att modulera aktiviteten hos enzymer relaterade till metyleringsprocessen (t.ex. DNMT-metyltransferas) genom konsumtion av polyfenoler i frukt, grönsaker och kryddor. Exempel på sådana föreningar är resveratrol i rött vin, epigallocatechingallat (EGCG) i grönt te, curcumin i gurkmeja-rhizom, genistein i sojabönor, sulforaphane i broccoli, quercetin i citrusfrukter och bovete

Effekten av diet på epigenom i utero dokumenterades av det berömda experimentet på "agouti" laboratoriemöss, som kännetecknas av en gul pälsfärg och en benägenhet för fetma, diabetes och cancer.

Den gula färgen på pälsen hos dessa möss är en typ av indikator på otillräcklig genmetylering.

I experimentet matades gravida "agouti" -möss till ett foder med högt innehåll av bland annat metylgivare. folsyra och kolin.

Till forskarnas överraskning liknade inte avkommorna till dessa möss sina föräldrar. Det första märkbara drag var förändringen i pälsfärg till brun, men det mest överraskande var att mössen tappade sin predisposition för sjukdomar som deras föräldrar led av.

Som det visade sig var detta en följd av en modifierad diet och återställande av normal DNA-metylering.

Dessa observationer stöder det faktum att epigenomen kan förändras genom diet och kan få långtgående hälsokonsekvenser.

Under de senaste åren har tarmmikrobiota i den epigenetiska modifieringsprocessen också visats.

Tarmmikroorganismerna producerar olika bioaktiva ämnen, t.ex. kortkedjiga fettsyror, och deras mängd beror på mikrobiotans artsammansättning och kostens kvalitet.

Ett stort utbud av prebiotiska produkter i kosten, såsom löslig kostfiber, t.ex. resistent stärkelse, ökar koncentrationen av kortkedjiga fettsyror, vilket positivt påverkar epigenomen i tarmepitelceller.

Epigenetik - MTHFR-genpolymorfier

Effektiviteten hos epigenetiska modifieringar kan också påverkas av genetiska polymorfismer, dvs små förändringar i genomet, vars konsekvens är närvaron av olika genvarianter i den mänskliga befolkningen.

En av konsekvenserna av genetiska polymorfismer är bland andra. allas olika svar på näringsämnen.

Det uppskattas att 15-30% av befolkningen kan ha ett ökat behov av metylgivare (särskilt folsyra) på grund av ogynnsamma polymorfier av MTHFR-genen, som kodar för enzymet metylentetrahydrofolatreduktas.

Detta enzym är ansvarigt för att omvandla folsyra till dess aktiva form.

Människor med en ogynnsam variant av MTHFR-genens polymorfism har försämrat omvandlingen av den inaktiva formen av folsyra till dess aktiva form 5-metyltetrahydrofolat (5-MTHF), därför har de ett ökat behov av metylgivare.

Och även om forskningen inte tydligt har bekräftat att sådana människor kan ha minskat metylering av DNA-strängar, är det i deras fall värt att vara uppmärksam på ett tillräckligt utbud i kosten eller ytterligare tillskott av metylgivare som folsyra eller kolin.

Epigenetik - stress

Överskott av stresshormoner, bland andra kortisol kan påverka epigenetiska förändringar i nervsystemet och öka risken för psykiska störningar.

Det har dokumenterats att personer som lider av ångestsyndrom, posttraumatisk stressstörning, posttraumatisk stressstörning och depression har en karakteristisk epigenetisk modifieringsprofil (huvudsakligen minskad DNA-metylering).

Sådan epigenom antas formas av traumatiska upplevelser i barndomen och / eller kroniska stressiga situationer.

Denna epigenetiska profil bibehålls under hela deras liv och förmedlas antagligen till barn och barnbarn (känd som extra-gen-arv).

Epigenetik - påverkan på hälsan

Fel under epigenetiska modifieringar, som att tysta uttrycket av fel gen, kan orsaka allvarliga konsekvenser i kroppens funktion, t.ex. orsaka cancer.

Dessutom visar fler och fler studier att epigenetiska modifieringar, förutom att delta i fysiologiska processer, kan delta i utvecklingen av sjukdomar som:

• autism
• schizofreni
• depression
• hjärt-kärlsjukdomar
• neurodegenerativa sjukdomar
• autoimmuna sjukdomar
• allergier

I synnerhet eftersträvas sambandet mellan epigenetiska modifieringar, kost och risken för specifika sjukdomar.

Det har visats att signifikanta epigenetiska modifieringar förekommer i livmodern, vilket kan få konsekvenser i vuxenlivet.

Därför kan det som mamman äter under graviditeten öka risken för vissa sjukdomar och till och med påverka nästa generation.

Det har bevisats att barn till mödrar som var gravida under hungervinteren i Nederländerna 1944-1945 hade en ökad risk för hjärt-kärlsjukdom, fetma och schizofreni jämfört med barn till mödrar som inte upplevde hunger.

Hos barn av hungriga mödrar hittades det bland annat reducerad metylering av genen som kodar för insulinliknande tillväxtfaktor 2 (IGF2).

Värt att veta

Erfarenheterna av epigenetik är för närvarande föremål för intensiv forskning inom näringsvetenskap. Det finns till och med en ny disciplin som handlar om näringens påverkan på genuttryck, dvs. näringsämnen.

Litteratur

1. Moosavi A. och Motevalizadeh A. Roll för epigenetik i biologi och sjukdomar hos människor. Iran Biomed J. 2016, 20 (5), 246-258.
2. Choi S. W. och Friso S. Epigenetics: En ny bro mellan näring och hälsa. Adv Nutr. 2010, 1 (1), 8-16.
3. Karabin K. Kostens inflytande på den mänskliga epigenomen, eller hur kosten förändrar gener. Modern dietetik 15/2018.
4. Dmitrzak-Węglarz M. och Hauser J. Epigenetiska mekanismer vid psykiska sjukdomar och kognitiva störningar. Psykiatri 2009; 6, 2, 51–60.
5. Poczęta M. et al. Epigenetiska modifieringar och genuttryck i neoplasma. Ann. Acad. Med. Siles. 2018.72, 80-89.
6. Glad C. et al. Minskad DNA-metylering och psykopatologi efter endogen hyperkortisolism - en genomomgående studie. Vetenskapliga rapporter 2017, 7, 44445.
7. Shin W. et al. Kolinintag som överstiger de nuvarande kostrekommendationerna bevarar markörer för cellulär metylering i en genetisk undergrupp av folatkomprometterade män. J Nutr. 2010, 140, 5, 975–980.

Om författaren

Karolina Karabin, doktor, doktor, molekylärbiolog, laboratoriediagnostiker, Cambridge Diagnostics Polska Utbildad som biolog med inriktning mot mikrobiologi och laboratoriediagnostiker med över 10 års erfarenhet av laboratoriearbete. En examen från skolan för molekylär medicin och medlem av det polska samhället för human genetik. Chef för forskningsbidrag vid laboratoriet för molekylär diagnostik vid institutionen för hematologi, onkologi och inre sjukdomar vid det medicinska universitetet i Warszawa. Hon försvarade titeln doktor i medicinska vetenskaper inom medicinsk biologi vid den första medicinska fakulteten vid Warszawas medicinska universitet. Författare till många vetenskapliga och populärvetenskapliga arbeten inom laboratoriediagnostik, molekylärbiologi och näring. Som specialist på laboratoriediagnostik driver han dagligen den materiella avdelningen vid Cambridge Diagnostics Polska och samarbetar med ett team av dietister på CD Dietary Clinic. Han delar sin praktiska kunskap om diagnostik och dietterapi av sjukdomar med specialister på konferenser, utbildningar och i tidningar och webbplatser. Hon är särskilt intresserad av modern livsstils påverkan på molekylära processer i kroppen.

Läs andra texter av denna författare