Termin epigenetyka pochodzi ze starożytnej greki (epigénesis) i oznacza "oprócz" i "pochodzenie/pochodzenie". Podczas gdy genetyka jako nauka zajmuje się dziedziczeniem i kształtowaniem cech (genów), epigenetyka zajmuje się pytaniem, które czynniki determinują aktywność genu. Analizuje ona zmiany w ekspresji genów, które nie są oparte na zmianach sekwencji DNA, np. poprzez mutacje lub rekombinację. Mechanizmy epigenetyczne nie są zatem w stanie zmienić naszej sekwencji DNA (genotypu) (Bird 2007). Określają one raczej, które geny są aktywowane i przekształcane w białka lub które geny są "wyciszane". W ten sposób znacząco wpływają na rozwój fenotypu (ogół wszystkich cech morfologicznych i fizjologicznych) (Margueron et al. 2010).
Najważniejsze mechanizmy epigenetyczne zaangażowane w rozwój i różnicowanie różnych typów komórek:
- mikroRNA (niekodujące RNA)
- Modyfikacja histonów
- Metylacja DNA (metylacja DNA to mechanizm epigenetyczny, w którym dodanie grup metylowych do DNA modyfikuje funkcję genów, wpływając na ich ekspresję (zwykle) poprzez hamowanie transkrypcji) (Randunu 2020).
Jaki wpływ na epigenom ma nasza dieta?
Dobrze udokumentowane historyczne epizody głodu zostały wykorzystane przez naukowców do zbadania związku między prenatalnym stresem żywieniowym a ryzykiem chorób przewlekłych w wieku dorosłym poprzez badania przekrojowe i podłużne. Ujawniło to, że odżywianie matki w okresie okołoporodowym (okres między 28 tygodniem ciąży a 7 dniem po urodzeniu) ma duży wpływ na późniejsze fenotypy dzieci. Prenatalna ekspozycja na głód zmniejszyła wzrost płodu, zmniejszyła tolerancję glukozy w wieku dorosłym i doprowadziła do wyższego BMI i obwodu talii u kobiet. Wykazano, że dieta może modulować globalne poziomy metylacji w regionach regulatorowych genów (Navarro 2017).
W jaki sposób mechanizmy epigenetyczne mogą modulować ryzyko rozwoju chorób niezakaźnych?
NCD oznacza choroby niezakaźne i jest terminem zbiorczym dla chorób związanych ze stylem życia, takich jak cukrzyca, choroby układu krążenia, otyłość, nadciśnienie i choroby neurodegeneracyjne. Obecnie choroby niezakaźne należą do najczęstszych przyczyn zgonów na całym świecie i zastąpiły choroby zakaźne.
Oprócz komponentu genetycznego istnieją różne czynniki ryzyka rozwoju chorób niezakaźnych, z których wszystkie są związane z indywidualnymi zachowaniami zdrowotnymi:
- Brak aktywności fizycznej
- Nadwaga
- Palenie
- nieodpowiednie odżywianie
- Nadużywanie alkoholu
Gdyby te czynniki ryzyka zostały wyeliminowane poprzez profilaktykę behawioralną i profilaktykę stylu życia na różnych etapach życia, można by zapobiec dużej części zachorowań na choroby niezakaźne (Forouzanfar et al. 2016). Globalizacja, industrializacja oraz zmiany społeczne i gospodarcze w ostatnich dziesięcioleciach doprowadziły do rozwoju nowych, szkodliwych wzorców żywieniowych i aktywności na całym świecie, które w znacznym stopniu przyczyniają się do rozwoju chorób niezakaźnych (Darnton-Hill et al. 2004).
Odżywianie ma wpływ na ryzyko rozwoju chorób niezakaźnych jeszcze przed urodzeniem, szczególnie w okresie płodowym i noworodkowym. Odżywianie matki w okresie płodowym i niemowlęcym oraz we wczesnym dzieciństwie może trwale zaprogramować metabolizm, a tym samym utorować drogę do rozwoju chorób niezakaźnych (Navarro i in. 2017). Oprócz innych przyczyn, epigenetyka odgrywa w tym wiodącą rolę (Lillycrop et al. 2015, McGee et al. 2018, Vickers 2014).
Zmiany epigenetyczne zachodzą już podczas tworzenia gamet (gametogeneza), ale nie wszystkie z nich są trwałe. Jednak niektóre metylowane miejsca DNA "przeżywają" gametogenezę i wczesny rozwój i replikują się podczas mitozy (Fan i Zhang, 2009, Trasler 2009). Oznakowane DNA jest następnie przekazywane wraz z histonami, tj. staje się dziedziczne (Guibert i in. 2012). W ten sposób oznakowane miejsca DNA mogą modulować ekspresję genów przez całe życie. Ponadto istnieją zmiany epigenetyczne, które występują przed i po urodzeniu, a także są zachowywane podczas podziału komórek (Skinner 2011). W rezultacie zaburzenia epigenetyczne nabyte we wczesnym okresie życia mogą utrzymywać się niezmienione podczas fazy rozwojowej do wieku dorosłego.
Okres okołoporodowy (okres między 28. tygodniem ciąży a 7. dniem po urodzeniu) stanowi krytyczne okno w rozwoju, ponieważ jest to czas, w którym epigenom jest najbardziej podatny na modyfikacje. Ponadto, wszystkie zmiany epigenetyczne zachodzące w tej fazie pozostają stabilne do wieku dorosłego (Perera et al. 2011). Badania nad związkiem między niektórymi składnikami żywności a ich efektami epigenetycznymi w okresie okołoporodowym są wciąż w powijakach. Istnieją jednak wstępne badania na zwierzętach i ludziach koncentrujące się na folianie i cholinie. Należą one do donorów metylu i są ważnymi składnikami odżywczymi w diecie, ponieważ odgrywają główną rolę w metabolizmie metylu.
Niedobór kwasu foliowego wpływa na wczesne programowanie epigenetyczne poprzez jego rolę w remetylacji do metioniny. Jeśli dostępna jest zbyt mała ilość kwasu foliowego, podaż metylu nie może być utrzymana podczas rozwoju (Crider et al. 2012). Dlatego ważne jest, aby zapewnić odpowiedni poziom kwasu foliowego w czasie ciąży.
Cholina jest ważnym składnikiem odżywczym związanym z metylem, który odgrywa decydującą rolę w rozwoju ośrodkowego układu nerwowego. Spożycie choliny przez matkę wpływa zatem na neurogenezę (Craciunescu et al. 2003), ale także na tworzenie się komórek śródbłonka i naczyń krwionośnych w mózgu płodu (Mehedint et al. 2010). W badaniach na zwierzętach na myszach i szczurach zaobserwowano, że wysokie spożycie choliny przez matkę korzystnie modyfikuje metylację histonów płodu i mechanizmy epigenomiczne (Davison i in. 2009).
Jak można zmienić niekorzystne modyfikacje epigenetyczne poprzez odżywianie?
Modyfikacje epigenetyczne reprezentują plastyczne procesy genomowe, na które wpływają czynniki endogenne i egzogenne (np. odżywianie). Jak opisano powyżej, modyfikacje te, zarówno pozytywne, jak i negatywne, mogą być przekazywane z pokolenia na pokolenie. Jednak najwyraźniej możliwe jest "przeprogramowanie" tych modyfikacji epigenetycznych, które są związane z wysokim ryzykiem choroby poprzez zmiany diety lub stylu życia (González-Becerra et al. 2019).
W badaniach, kilka składników żywności jest omawianych jako modyfikatory epigenetyczne, w tym aminokwasy, witaminy i minerały, polifenole i kwasy tłuszczowe.
- Kwasy tłuszczowe
Jak wspomniano powyżej, nasza dieta przechodzi obecnie transformację. Ma to szczególny wpływ na profil spożycia kwasów tłuszczowych. Pojawiają się globalne wzorce żywieniowe, które charakteryzują się wysokim spożyciem nasyconych kwasów tłuszczowych (SFA) i kwasów tłuszczowych trans (TFA) oraz niską zawartością jednonienasyconych kwasów tłuszczowych (MUFA) i wielonienasyconych kwasów tłuszczowych (PUFA) (Cordain i in. 2005). Takie wzorce żywieniowe wiążą się z niekorzystnymi zmianami epigenetycznymi (Morgen i Sørensen 2014).
Wciąż niewiele jest badań na ludziach dotyczących ochronnych właściwości kwasów tłuszczowych na epigenom. Istnieją jednak wstępne przesłanki wskazujące, że dieta bogata w kwasy tłuszczowe omega-3 wiąże się z niższym ryzykiem rozwoju chorób metabolicznych. Literatura wskazuje, że w efekcie tym mogą pośredniczyć mechanizmy epigenetyczne (González-Becerra et al. 2019).
- Polifenole
Wśród bioaktywnych związków pochodzenia roślinnego, które pośredniczą w modyfikacjach epigenetycznych są genisteina (soja), resweratrol (winogrona), kurkumina (kurkuma), katechiny herbaty (zielona herbata) i sulforafan (warzywa krzyżowe). Również w tym przypadku rzeczywisty wpływ polifenoli w żywności na metylację DNA u ludzi nie został jeszcze ostatecznie zbadany (Milagro et al. 2013).
- Witaminy i minerały
Różne minerały zostały powiązane ze zmianami w mechanizmach epigenetycznych, które regulują ekspresję genów. Należą do nich selen, cynk (Ho et al. 2011) i magnez (Takaya et al. 2011). Nie można jeszcze sformułować zaleceń dotyczących dawkowania w leczeniu różnych chorób. Należy jednak zadbać o odpowiednie spożycie tych składników odżywczych, zwłaszcza w przypadku diety wegetariańskiej.
- Aminokwasy
Aminokwasem, który wydaje się odgrywać główną rolę w mechanizmach epigenetycznych jest metionina, główne źródło grup metylowych w reakcjach biometylacji i kluczowy regulator jednowęglowego szlaku metabolicznego (McKay i Mathers 2011). Jednak metabolizm innych aminokwasów (seryny, glicyny i histydyny) również odgrywa ważną rolę w dostarczaniu donorów metylu do metylacji DNA i histonów (Wang i wsp. 2012). Zmiany w krążeniu kilku niezbędnych aminokwasów, w szczególności metioniny, cysteiny, tyrozyny, fenyloalaniny, są najwyraźniej związane z otyłością i insulinoopornością, a nawet występują przed wystąpieniem cukrzycy typu 2 (Adams 2011).
Bibliografia
Adams SH. Nowe perspektywy metabolizmu niezbędnych aminokwasów w otyłości i stanie insulinooporności. Adv Nutr. 2011;2(6):445-456
Bird A. Postrzeganie epigenetyki. Natura. 2007;447(7143):396
Cordain L, Eaton SB, Sebastian A, et al. Pochodzenie i ewolucja zachodniej diety: implikacje zdrowotne dla XXI wieku. Am J Clin Nutr. 2005;81(2):341-354
Craciunescu CN, Albright CD, Mar M-H, et al. Dostępność choliny podczas rozwoju embrionalnego zmienia mitozę komórek progenitorowych w rozwijającym się hipokampie myszy. J Nutr. 2003;133(11):3614-3618
Crider KS, Yang TP, Berry RJ, et al. Folian i metylacja DNA: przegląd mechanizmów molekularnych i dowodów na rolę folianów. Adv Nutr. 2012;3(1):21-38
Darnton-Hill I, Nishida C, James WPT. Życiowe podejście do diety, odżywiania i zapobiegania chorobom przewlekłym. Zdrowie publiczne Nutr. 2004;7(1a):101-121
Davison JM, Mellott TJ, Kovacheva VP, et al. Gestational choline supply regulates methylation of histone H3, expression of histone methyltransferases G9a (Kmt1c) and Suv39h1 (Kmt1a), and DNA methylation of their genes in rat foetal liver and brain. J Biol Chem. 2009;284(4):1982-1989
Fan S, Zhang X. Wzór metylacji wysp CpG w różnych tkankach ludzkich i jego korelacja z ekspresją genów. Biochem Biophys Res Commun. 2009;383(4):421-425
Forouzanfar MH, Afshin A, Alexander LT, et al. Globalna, regionalna i krajowa porównawcza ocena ryzyka 79 zagrożeń behawioralnych, środowiskowych i zawodowych oraz metabolicznych lub klastrów zagrożeń, 1990-2015: systematyczna analiza dla Global Burden of Disease Study 2015. Lancet. 2016;388(10053):1659-1724
González-Becerra K, Ramos-Lopez O, Barrón-Cabrera E, et al. Kwasy tłuszczowe, mechanizmy epigenetyczne i choroby przewlekłe: przegląd systematyczny. Lipids Health Dis. 2019;18(1)
Guibert S, Forné T, Weber M. Globalne profilowanie usuwania metylacji DNA w pierwotnych komórkach zarodkowych myszy. Genome Res. 2012;22(4):633-641
Ho E, Beaver LM, Williams DE, et al. Czynniki dietetyczne i regulacja epigenetyczna w profilaktyce raka prostaty. Adv Nutr. 2011;2(6):497-510
Lillycrop KA, Burdge GC. Dieta matki jako modyfikator epigenetyki potomstwa. J Dev Orig Health Dis. 2015;6(2):88-95
Margueron R, Reinberg D. Struktura chromatyny i dziedziczenie informacji epigenetycznej. Nat Rev Genet. 2010;11(4):285-296
McGee M, Bainbridge S, Fontaine-Bisson B. Kluczowa rola spożycia dawców metylu w diecie matki w programowaniu epigenetycznym i wynikach wzrostu płodu. Nutr Rev. 2018;76(6):469-478
McKay JA, Mathers JC. Zmiany epigenetyczne wywołane dietą i ich wpływ na zdrowie. Acta Physiol. 2011;202(2):103-118
Mehedint MG, Craciunescu CN, Zeisel SH Niedobór choliny w diecie matki zmienia angiogenezę w hipokampie płodu myszy. Proc Natl Acad Sci. 2010;107(29):12834-12839
Milagro FI, Mansego ML, De Miguel C, et al. Czynniki dietetyczne, modyfikacje epigenetyczne i skutki otyłości: postępy i perspektywy. Mol Aspects Med. 2013;34(4):782-812
Morgen CS, Sørensen TIA. Globalne trendy w częstości występowania nadwagi i otyłości. Nat Rev Endocrinol. 2014;10(9):513-514
Navarro E, Funtikova AN, Fíto M, et al. Odżywianie prenatalne a ryzyko otyłości u dorosłych: długotrwały wpływ odżywiania na epigenetyczne mechanizmy regulujące ekspresję genów. Vol 39; 2017
Perera F, Herbstman J. Prenatalne narażenia środowiskowe, epigenetyka i choroby. Reprod Toxicol. 2011;31(3):363-373
Randunu RS, Bertolo RF. Wpływ metylowych składników odżywczych w diecie matki i po urodzeniu na zmiany epigenetyczne, które prowadzą do chorób niezakaźnych w wieku dorosłym. Int J Mol Sci. 2020;21(9):1-17
Skinner MK. Środowiskowe epigenetyczne dziedziczenie transgeneracyjne i somatyczna epigenetyczna stabilność mitotyczna. Epigenetyka. 2011;6(7):838
Takaya J, Iharada A, Okihana H, et al. Niedobór magnezu u ciężarnych szczurów zmienia metylację określonych cytozyn w wątrobowym promotorze dehydrogenazy hydroksysteroidowej-2 potomstwa. Epigenetyka. 2011;6(5):573-578
Trasler JM. Epigenetyka w spermatogenezie. Mol Cell Endocrinol. 2009;306(1-2):33-36
Vickers MH. Odżywianie we wczesnym okresie życia, epigenetyka i programowanie chorób w późniejszym życiu. Składniki odżywcze. 2014;6(6):2165-2178
Wang J, Wu Z, Li D, et al. Odżywianie, epigenetyka i zespół metaboliczny. Antyoksydacyjny sygnał redoks. 2012;17(2):282-301
Polish 
German 
English 
French 
Spanish 
Italian 
Portuguese 
Greek 
Japanese