Diéta és az epigenom

Tárgyak

Az elmúlt évtizedben az epigenetikus biológia megértésében elért figyelemreméltó áttörések egybeesnek az étrend és az életmódválasztás egészségre gyakorolt hatása iránti fokozott közvélemény-érdeklődéssel. Megalapozott, hogy a kiegyensúlyozott étrend növeli a várható élettartamot, és segít megelőzni vagy kezelni bizonyos betegségeket, például elhízást, cukorbetegséget, rákot és mentális rendellenességeket. Azonban ezeknek a hatásoknak a hátterében álló biológiai mechanizmusok még nincsenek jól megértve. Ebben a kommentárban több olyan közelmúltbeli tanulmányt emelünk ki, amelyek beszámolnak az étrendi tényezők és az epigenetikus utak változásának lehetséges kapcsolatáról, meggyőző betekintést nyújtva a környezeti tényezők alapvető biológiai folyamatokra gyakorolt lehetséges hatásaiba.

Az emberi epigenóm két fő eleme a DNS-en és hisztonokon jelenlévő kovalens kémiai módosítások, amelyek meghatározzák a kromatin szerkezetét, és epigenetikai jeleknek nevezik őket. Az epigenetikus jelek nem változtatják meg a DNS-szekvenciát, ezért a szüleinktől örökölt teljes genomi információ vagy genotípus érintetlen marad. Az epigenetikus jelek azonban átalakítják a lokális kromatin környezetet, és ezáltal befolyásolják a DNS hozzáférhetőségét, és szabályozzák a DNS-templátos folyamatok széles körét, beleértve a génátírást is. Ha az epigenetikus jelek helytelenül vagy rendellenesen aktívak, megzavarhatják a normális génexpressziós profilokat, helytelenül kapcsolva ki és be a géneket. A hisztonokon és a DNS-en több tucat epigenetikai jelet azonosítottak, a hisztonok metilezése és acetilezése, valamint a DNS metilezése a legelterjedtebb 1. A rögzített DNS-szekvenciával ellentétben az epigenetikus jelek kevésbé stabilak, és változhatnak a sejtciklus alatt, vagy a normális sejtnövekedéshez és túléléshez szükséges különféle ingerekre reagálva.

Rengeteg friss tanulmány azt sugallja, hogy az epigenetikus jelek érzékenyek a környezeti expozícióra is. A tápanyagok, toxinok, szennyező anyagok, peszticidek és egyéb környezeti tényezők akár közvetlenül, akár közvetve befolyásolhatják az epigenetikus jelek szintjét és forgalmát. Ez viszont transzformált gén expressziós mintákat eredményezne, következésképpen jobb vagy rosszabb hatással lenne egészségünkre. Úgy gondolják, hogy bizonyos epigenetikai változások átjutnak a következő generációra, vagy a gének részhalmazainak időbeli modulációját idézik elő, ami végül a betegség előrehaladásához vezet, 2,3,4,5. Három tanulmány nemrégiben jelent meg Nature Communications feltárták, hogy az étrend vagy az élelmiszerekben található vegyületek miként változtathatják meg a génexpressziós programokat epigenetikus mechanizmusok révén, új utat nyitva az e mechanizmusokon alapuló terápiák feltárásában.

Kimutatták, hogy számos más tényező jelentősen hozzájárul az epigenetikai programok és válaszok változásához. Például Krautkramer et al. arról számoltak be, hogy a bélmikrobák és metabolitjaik befolyásolják a gazda kromatin állapotát, fokozva a hiszton poliacetilezését és rövid láncú zsírsavakat (SCFA) termelve. A feldolgozott élelmiszerekben és magas cukortartalmú italokban gazdag „nyugati típusú” étrendről kiderült, hogy korlátozza a mikrobiális SCFA-k termelését, megakadályozza a mikrobiotától függő események sokaságának bekövetkezését, és a máj gén expressziójának megváltozásához vezet. Egy másik példa az alacsony szénhidráttartalmú ketogén étrend hatása, amelyről kimutatták, hogy megmenti a hippokampus memóriazavarait a Kabuki-szindróma egérmodelljében, amelyet a helyspecifikus hisztonmetiláció elvesztése és a kromatinnyílás hiánya jellemez 10. Ez a diéta elősegíti a HDAC-gátló β-hidroxi-butirát képződését, és a H3ac és a H3K4me3 változásaihoz vezet a hippokampuszban, valamint megmenti az egerek modelljeinek neurogenezisét és memóriafenotípusait.

Inspiráló, hogy óriási ugrásnak lehetünk tanúi az epigenetika biológiai, mechanisztikus és élettani aspektusainak megismerésében. Noha sok mindent megtanultunk, csak akkor kapkodtuk el igazán a felszínt, hogy megértsük a lenyűgözően összetett emberi epigenom és a környezeti tényezők kapcsolatát. A fent tárgyalt tanulmányok kiemelik a környezeti epigenetikai változások lehetséges szerepeit, amelyeket be kell illeszteni az egyenletbe, miközben megpróbálunk átfogó térképet rajzolni az epigenetikus hálózatról. Izgalmas lesz látni több olyan tanulmányt, amely az étrendi összetevők epigenetikai lenyomatra gyakorolt hatását boncolgatja, alternatív táplálkozásalapú terápiás megközelítéseket tár fel, és eszközöket fejleszt a személyre szabott étrendhez az egészség javítása és a várható élettartam növelése érdekében.

Hivatkozások

Huang, H., Lin, S., Garcia, B. A. és Zhao, Y. A hiszton módosításainak kvantitatív proteomikai elemzése. Chem. Fordulat. 115, 2376–2418 (2015).

Miska, E. A. és Ferguson-Smith, A. C. transzgenerációs öröklődés: a nem DNS szekvencia alapú öröklődés modelljei és mechanizmusai. Tudomány 354, 59–63 (2016).

Dawson, M. A. és Kouzarides, T. Rák epigenetika: a mechanizmustól a terápiáig. Sejt 150, 12–27 (2012).

Shen, H. & Laird, P. W. kölcsönhatás a rákgenom és az epigenom között. Sejt 153, 38–55 (2013).

Zenk, F. és mtsai. A csíravonalból örökölt H3K27me3 korlátozza az enhancer funkciót az anya-zigóta átmenet során. Tudomány 357, 212–216 (2017).

Wang, J. és mtsai. A gyulladás és a szinaptikus plaszticitás epigenetikus modulációja elősegíti az egerek stresszel szembeni ellenálló képességét. Nat. Commun. 9., 477 (2018).

Huang, H. és mtsai. A lizin-benzoilezés a SIRT2 által szabályozott hisztonjel. Nat. Commun. x, https://doi.org/10.1038/s41467-018-05567-w (2018).

Yuan, X. és mtsai. Az Fgf21 epigenetikus modulációja a perinatális egérmájban felnőttkorban javítja az étrend okozta elhízást. Nat. Commun. 9., 636 (2018).

Krautkramer, K. A. és mtsai. A diéta-mikrobiota kölcsönhatások közvetítik a globális epigenetikai programozást több gazda szövetben. Mol. Sejt 64., 982–992 (2016).

Benjamin, J. S. és mtsai. A ketogén diéta megmenti a hippocampalis memóriazavarokat a Kabuki-szindróma egérmodelljében. Proc. Natl Acad. Sci. USA 114., 125–130 (2017).

Köszönetnyilvánítás

A Kutateladze laboratóriumi kutatásokat az NIH finanszírozza.

Szerzői információk

Hovatartozások

Farmakológiai Tanszék, Colorado Egyetem Orvostudományi Kar, Aurora, CO, 80045, USA

Yi Zhang és Tatiana G. Kutateladze

A PubMed Google Scholar alkalmazásban is kereshet erre a szerzőre

Hozzájárulások

Y.Z. és T.G.K. hozzájárult e kézirat megírásához.

Levelezési cím

Etikai nyilatkozatok

Versenyző érdekek

A szerzők kijelentik, hogy nincsenek versengő érdekeik.

További információ

Kiadói megjegyzés: A Springer Nature semleges marad a közzétett térképeken és az intézményi kapcsolatokban szereplő joghatósági igények tekintetében.