Еда против генов

Вместе попытаемся разобраться в вопросе влияния пищи на работу генов. Старался максимально упростить текст и адаптировать для более широкой аудитории. Надеюсь это не сказалось на качестве информации. Что потребуется? Внимание, школьный курс биологии, время - 6 минут.

Хронические неинфекционные болезни (диабет, онкологические и сердечно-сосудистые заболевания) - чума XXI века. Что может остановить эту эпидемию? Ответ пытается дать нутригеномика — новое направление в науке, изучающее, какое влияение пища  оказывает на работу генов.
Её часто разделяют на две ветви:

1. Собственно нутригеномика, которая исследует действие питательных веществ и их связь с экспрессией генов и изменения в обмене веществ (метаболизме).
2. Нутригенетика изучает, как вариации в генах отражаются на усвоении и метаболизме пищи и выявляет генетические предрасположенности к заболеваниям.

Основная цель нутригенетики — определение генов, которые могут увеличить восприимчивость к питательным веществам или заболеванию. Например, до 70 % изменчивости массы тела зависят от генов. Ген — единица наследственности живых организмов. Ген представляет собой участок ДНК. ДНК - это молекула, которая хранит биологическую информацию в виде генетического кода.

В ходе эволюции, у людей появились различия в ДНК. Некоторые из них, влияют на поглощение и переработку питательных веществ. Например способность к перевариванию лактозы (углевод, содержащийся в молоке) во взрослом состоянии давала преимущество в выживании у популяций, которые занимались скотоводством. Причем с возрастом влияние генов может меняться

Как пища регулирует работу генов?

Любые клетки состоят из белков, а какие именно будут белки определяет ДНК, но делает это не напрямую, а через промежуточный синтез РНК. Этот процесс называется транскрипция. Запуск транскрипции зависит от наличия необходимых белков, и от доступности ДНК для этих белков (т.е. от эпигенетических модификаций). Компоненты пищи могут влиять на оба этих процесса.

Эпигенетические факторы
Все клетки нашего организма — от нейронов до лейкоцитов — несут одинаковый генетический материал. Но в каждой клетке запускается специфический набор генов — это определяет специализацию клеток. Включение и выключение генов регулируется эпигенетическими модификациями. В клетке ДНК намотана на «бусины» — комплекс белков гистонов, различные химические модификации которых включают или выключают ген. Помимо этого, выключение генов происходит при модификации самой молекулы ДНК (метилирование).

Итак, некоторые компоненты пищи осуществляют:

1. Включение генов, так называемый процесс Ацетилирования гистонов.
2. Выключение генов (Метилирование ДНК). Дефицит метильных групп (холин, метионин, фолиевая кислота),которые содержатся в яйцах, бобовых, печени влечет за собой спонтанное образование опухолей.
3. Источники метильных групп, в частности, фолиевая кислота необходимы для нормального развития плода и протекания беременности. 

Транскрипционные факторы
Второй механизм с помощью которого пища меняет экспрессию генов, иллюстрирует  схема: «компонент пищи → рецептор → сигнальный путь → транскрипционный фактор → включение генов».

 

Рецепторы распознают строго определенную структуру питательных веществ, и поэтому схожие по строению компоненты пищи по разному воздействуют на организм (например, насыщенные и ненасыщенные жиры).

Пища состоит из белков, жиров и углеводов и расщепляется в процессе пищеварения до более простых веществ (аминокислоты, моносахара, жирные кислоты), которые затем транспортируются в клетки и связываются рецепторами. Сигнал от рецептора распространяется по клетке до ядра и экспрессия генов изменяется. Длительные изменения в экспрессии генов, в итоге, сказываются на здоровье и продолжительности жизни. Кому стало скучно, можете пропустить описание механизмов влияния.

Белки в пищеварительном тракте расщепляются до аминокислот, которые затем транспортируются внутрь клеток. В клетке находится молекула mTOR (mammalian target of rapamycin), которая активируется высокой концентрацией аминокислот и регулирует многочисленные аспекты внутриклеточного метаболизма. Так как mTOR активируется аминокислотами, то у людей диета с низким соотношением белков и углеводов снижает риск развития рака, ожирения и нейродегенеративных заболеваний. Люди пожилого возраста, получающие из белков более 20% суточных калорий в четыре раза (!) чаще умирают от рака, а уровень их общей смертности на 75% выше по сравнению с людьми, соблюдающими низкобелковую диету (т.е. менее 10% суточных калорий). При этом не выявлена корреляция между употреблением растительных белков и уровнем смертности. Считается, что это обусловлено аминокислотным составом растительных белков, которые содержат меньше метионина и цистеина.

Углеводы в процессе пищеварения расщепляются до моносахаров; самый известный представитель которых — глюкоза. Повышение уровня глюкозы в крови вызывает выработку гормона инсулина. Инсулин улавливается рецепторами на поверхности клеток, это приводит к активации сигнального пути IIS (Insulin/Insulin-like grow factor Signaling), который запускает поглощение глюкозы клетками и стимулирует клеточный рост и деление. Сигнальный путь IIS тесно связан с путем mTOR, поэтому, уровень его активации имеет влияние на здоровье и продолжительность жизни. Люди со сниженным уровнем сигнального IIS-пути, как правило, живут дольше.

Жиры расщепляются до жирных кислот, моноглицеридов и глицерина. Жирные кислоты можно разделить на два основных класса: ненасыщенные (полиненасыщенные жирные кислоты и транс-жиры) и насыщенные.
Полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК)содержатся в растительных маслах, орехах, рыбе. Они снижают экспрессию генов, вовлеченных в синтез жирных кислот и холестерина. Особенно полезны для организма омега-3-жирные кислоты, которые снижают уровень холестерина в крови и печени, участвуют в рассасывании воспаления и защите клеток, стимулирует реакции противоопухолевого иммунитета. Известно, что одинаковые факторы (диета и степень физической активности) могут сказаться на метаболизме людей по-разному. Например, у женщин в зависимости от типа аллеля (Аллели — различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках хромосом), потребление ПНЖК способно оказывать противоположные эффекты на уровень липопротеинов высокой плотности (ЛВП) в крови. Поэтому, надо обязательно учитывать индивидуальные генетические особенности при проведении нутригеномных исследований.

Транс-жиры образуются в пищевой индустрии из ненасыщенных жирных кислот при производстве маргарина, который используется в изготовлении выпечки, крекеров, чипсов и пр.

Механизмы действия транс-жиров.

• Транс-жиры изменяют выработку и разрушение липопротеинов в клетках печени и влияют на транспорт эфиров холестерина в липопротеины очень низкой плотности (это “плохие” липопротеины)
• увеличивают синтез циркулирующих молекул адгезии и снижают функцию NO-синтазы (синтазы оксида азота — группа ферментов, которая вырабатывается фагоцитами в процессе борьбы с бактериями, но также участвует в регулировке кровообращения, передаче нервных импульсов)
• изменяет нормальный метаболизм жиров и усиливают воспалительный ответ
• в макрофагах (клетки иммунной системы) увеличивают продукцию медиаторов воспаления.

Перечисленные эффекты транс-жиров способствуют атеросклерозу, диабету, отрыву холестериновых бляшек.

Насыщенные жирные кислоты (НЖК) содержаться в основном в сливочном масле, сыре, мясе, желтках, кокосовом, пальмовом масле и масле какао. Результаты исследований о неблагоприятном воздействии НЖК на здоровье противоречивы, тем не менее, Всемирная организация здравоохранения рекомендует сократить в рационе долю НЖК до 5–10% (от общего количества калорий).

Нутригенетика: от генов к пище

Генетические заболевания разделяют на моногенные (определяются вариацией в одном гене) и полигенные (определяются комбинацией генов и факторами внешней среды).
К моногенным заболеваниям относят глютеновую болезнь, непереносимость лактозы и т.д. Причина таких заболеваний известна, поэтому просто предотвратить внешние проявления: достаточно исключить из рациона неусваиваемый компонент пищи. Для профилактики полигенных заболеваний — рака, ожирения, диабета II типа, нарушений сердечно-сосудистой системы — необходимо контролировать не только рацион, но и физическую активность, уровень стресса и т.д. Тем не менее, можно индивидуально (в зависимости от генотипа) выявить группы риска и определить, каких продуктов стоит избегать, а какими, наоборот, дополнить ежедневное меню, для минимизации рисков заболеваний.
Сердечно-сосудистые заболевания (CCЗ) развиваются комплексно, и ученые далеки от установления всех факторов рисков и способов их устранения. Однако в генах липидного обмена (генах аполипопротеинов E, A1, A2, A54; PPARs; липоксигеназы-5 и др.) выявлены вариации, у обладателей которых быстрее развивается ССЗ от высококалорийного питания. У людей с медленным метаболизмом кофеина повышается риск ССЗ при его употреблении. Основной риск развития ССЗ — наличие метаболического синдрома, который характеризуется: повышением артериального давления, уровня сахара и липидов в крови, ожирением. 

Рак. Особенности транспорта и метаболизма питательных веществ вносят вклад в развитие (или предотвращение) раковых заболеваний. Например, распространена мутация, снижающая эффективность фермента, необходимого для метилирования ДНК. При недостатке в пище источников метильных групп (фолата и холина), носители такой мутации имеют повышенную вероятность заболеть раком толстого кишечника. Для таких людей употребление алкоголя — это дополнительный усугубляющий фактор, так как алкоголь снижает поглощение фолата и увеличивает его выведение из организма. Употребление красного мяса увеличивает риск развития рака толстого кишечника как у обладателей быстрой N-ацетилтрансферазы, так и у носителей особой комбинации полиморфизмов в гене цитохрома P450. Вероятность онкологических заболеваний возрастает при мутации в гене одного из типов глутатионтрансфераз (ферментов, участвующих в детоксикации), и постоянное поступление в организм токсинов (при курении и др.) опасно для людей с подобной мутацией. А поедание капусты и других крестоцветных, наоборот полезно, так как они содержат вещества, увеличивающие активность глутатионтрансфераз (фермент антиоксидантной системы).

Ожирение. Определенный вариант гена FTO (fat mass- and obesity-associated gene) ассоциирован у людей с ожирением и диабетом. Эффект подобного генетического варианта легко модулируется физической активностью и сбалансированным питанием.

Несмотря на возможные генетические предрасположенности к ожирению, диабету, сердечно-сосудистым заболеваниям, раку, выявлено, что факторы окружающей среды играют существенную роль при развитии вышеперечисленных патологий.

Проблемы

Отдельно взятый прием пищи оказывает слабое влияние на организм, поэтому при проведении нутригеномных исследований очень важна длительность употребления нутриентов. Это усложняет проведение экспериментов. Для анализа изменений в экспрессии генов и метаболизма клетки используются следующие методы: 

• эпигенетический анализ
• анализ клеточных мРНК (транскриптома), белков (протеома) и метаболитов (метаболома). 

К сожалению, на сегодняшний день методы получения протеома и метаболома дороги и  недостаточно развиты, а количество мРНК не всегда пропорционально количеству белка в клетке и не дает информации об активности белка. К тому же, для исследований требуется достаточно большое количество биологического материала, поэтому анализируется, в основном, кровь, а именно, белые кровяные клетки, но пока неизвестно, насколько точно они отражают ранние нарушения в метаболизме.

Уже существуют компании, предлагающие нутригенетические тесты, однако правительство США выпустило отчет об опасности и недостоверности таких тестов. 

Перспективы

Ожидается, что в будущем вклад нутригеномики и нутригенетики в здравоохранение в будет значительным. Установление механизмов взаимодействия «пища—гены» и выявление ранних маркеров нарушений в метаболизме позволит проводить эффективное предупреждающее лечение, составлять индивидуальный план питания на основе особенностей обмена веществ и генетических предрасположенностей. А продукты питания будут проверяться на эффективность их действия на организм.

Литература:

1. https://biomolecula.ru/articles/nutrigenomika-pitanie-vs-zabolevaniia

2. Poirier L.A. (1986). The role of methionine in carcinogenesis in vivo. Adv. Exp. Med. Biol. 206, 269–282; 

3. Catherine J. E. Ingram, Charlotte A. Mulcare, Yuval Itan, Mark G. Thomas, Dallas M. Swallow. Lactose digestion and the evolutionary genetics of lactase persistence // Human Genetics. — 2009-01-01. — Т. 124, вып. 6. — С. 579–591. — ISSN 1432-1203. — DOI:10.1007/s00439-008-0593-6

4. Tuomo Rankinen, Aamir Zuberi, Yvon C. Chagnon, S. John Weisnagel, George Argyropoulos. The human obesity gene map: the 2005 update // Obesity (Silver Spring, Md.). — 2006-04-01. — Т. 14, вып. 4. — С. 529–644. — ISSN 1930-7381. — DOI:10.1038/oby.2006.71

5.Solon-Biet S.M., Mitchell S.J., de Cabo R., Raubenheimer D., Le Couteur D.G., Simpson S.J. (2015). Macronutrients and caloric intake in health and longevity. J. Endocrinol. 226, R17–R28;

6. Kris Verburgh. (2015). Nutrigerontology: why we need a new scientific discipline to develop diets and guidelines to reduce the risk of aging-related diseases. Aging Cell. 14, 17-24;

7. Ryota Hosomi, Kenji Fukunaga, Hirofumi Arai, Seiji Kanda, Toshimasa Nishiyama, Munehiro Yoshida. (2013). Effect of combination of dietary fish protein and fish oil on lipid metabolism in rats. J Food Sci Technol. 50, 266-274;

8. L. A. Davidson. (2004). Chemopreventive n-3 Polyunsaturated Fatty Acids Reprogram Genetic Signatures during Colon Cancer Initiation and Progression in the Rat. Cancer Research. 64, 6797-6804;

9. Alan R. Tall, Laurent Yvan-Charvet. (2015). Cholesterol, inflammation and innate immunity. Nat Rev Immunol. 15, 104-116;

10. Vandana Dhaka, Neelam Gulia, Kulveer Singh Ahlawat, Bhupender Singh Khatkar. (2011). Trans fats—sources, health risks and alternative approach - A review. J Food Sci Technol. 48, 534-541;

11. Ordovas J.M., Corella D., Cupples L.A., Demissie S., Kelleher A., Coltell O. et al. (2002). Polyunsaturated fatty acids modulate the effects of the APOA1 G-A polymorphism on HDL-cholesterol concentrations in a sex-specific manner: the Framingham Study. Am. J. Clin. Nutr. 75, 38–46;

12. Nuno N.B. and Heuberger R. (2014). Nutrigenetic associations with cardiovascular disease. Rev. Cardiovasc. Med. 15, 217–225;        

13. Marilyn C Cornelis, Ahmed El-Sohemy. (2007). Coffee, caffeine, and coronary heart disease. Current Opinion in Lipidology. 18, 13-19;