Kierunek: biologia sądowa I rok II°

Jakie czynniki wpływają na zmiany w epigenomie?

Wszystkie komórki ludzkiego organizmu zawierają zasadniczo identyczną informację genetyczną. Pomimo genotypowej identyczności, komórki różnych tkanek znacznie się od siebie różnią. Decydują o tym różne mechanizmy regulacji ekspresji genów. Wśród nich szczególne miejsce zajmują mechanizmy epigenetyczne. Dotyczą one dwóch zjawisk, modyfikacji chromatyny (białka histonowe) i metylacji DNA. Zjawiska epigenetyczne generują „pamięć komórki” i mogą być dziedziczone.

Epigenom – pełen zestaw chemicznych modyfikacji DNA oraz białek histonów, który reguluje strukturę chromatyny oraz funkcje genomu. Zmiany te są potencjalnie dziedziczne. Epigenom, w dużo większym niż genom stopniu podlega zmianom wywołanym przez wpływ czynników środowiskowych. Na metylację DNA ma wpływ dieta, zanieczyszczenia środowiska, leki, a także procesy związane ze starzeniem i rozwojem. Odkrycie, że naturalnie występujące w diecie substancje wpływają na epigenom zrodziło pomysł wykorzystania ich do chemoprewencji, czyli postępowania mającego na celu zapobieganie lub zahamowanie procesu nowotworzenia, szczególnie na najwcześniejszych jego etapach. Udowodniono, że zmiany epigenetyczne są odwracalne i zachodzą na wczesnych etapach kancerogenezy, tak więc są idealnym celem działań chemoprewencyjnych.

Ciekawe jest również powiązanie wysiłku fizycznego ze zmianami w epigenomie. Okazuje się, że aktywność fizyczna jest skorelowana ze zmianami metylacji w mózgu, co ułatwia radzenie sobie ze stresem. Przytoczone przykłady udowadniają, że genom nie determinuje w sposób jednoznaczny naszego zdrowia, samopoczucia czy podatności na choroby, a poprzez świadome zachowania prozdrowotne możemy tak wpływać na epigenom, by potencjał ukryty w genach działał na naszą korzyść.

My szerzej przyjrzymy się wpływowi diety na zmiany w epigenomie.

Rys. 1 Główne czynniki powodujące nowotwory [Kordek R. i współ. 2003]

Analizowaniem związków między dietą a genami i identyfikowaniem mechanizmów w jakich żywność i żywienie wpływają na stan zdrowia i choroby cywilizacyjne zajmuje się nutrigenomika. Bioaktywne składniki diety są czą­steczkami sygnałowymi, które przenoszą informacje ze środowiska zewnętrznego i wpływają w sensie ilościowym i jakościowym na poziom ekspresji genów w komórce.

Najważniejszą rzeczą, którą możemy robić, aby kontrolować nasze geny, jest właściwe odżywianie. Kombinacja i jakość znajdujących się w jedzeniu odżywczych makroskładników (białek, tłuszczów, węglowodanów) i mikroskładników (witamin i minerałow), składników roślinnych oraz błonnika codziennie wpływają na nasze DNA – włączając lub wyłączając, wzmacniając lub osłabiając sygnały wysyłane z genów.

Od naszych genów zależy to, jaka dieta będzie nam najlepiej służyć – jednym będzie służyła dieta o większej zawartości tłuszczu i białka, a mniejszej węglowodanów, a innym nie.

Żywność – bez względu na to, czy są to bogate w składniki odżywcze produkty roślinne, produkty bogate w fitoskładniki, czy też produkty przetwarzane, wysokocukrowe, pozbawione wartości odżywczych – zmienia ekspresję genów w ciągu kilku tygodni, a najwyżej – miesięcy. 

Dieta matki w okresie ciąży a zmiany w epigenomie potomstwa.

Dieta ma bardzo duży wpływa na przyszłość następnych pokoleń. Nieprawidłowa dieta w okresie ciąży może wiązać się z wystąpieniem u dziecka astmy, nadciśnienia, choroby wieńcowej, chorób nowotworowych, neurodegeneracyjnych, otyłości, cukrzycy, zespołu metabolicznego, niepłodności i wielu innych.

Szacuje się, że nieprawidłowy dobór diety jest przyczyną 35% nowotworów. Najnowsze badania dowodzą, że ryzyko raka piersi u córki zmniejsza się odwrotnie proporcjonalnie do ilości spożywanych przez matkę w trakcie ciąży kwasów Omega-3 lub składników odżywczych takich jak metionina, cholinia, folian lub witamina B12, będących donorami grup metylowych.

Doświadczenia na myszach pokazały, jak duże znaczenie dla epigenomu dziecka ma dieta matki w czasie pierwszych dni od powstawania nowego życia. Niemetylowany gen agouti u myszy powoduje, że zwierzę ma żółtą sierść, jest otyłe, podatne na zachorowanie na cukrzycę i nowotwory, podczas gdy mysz z identyczną sekwencją nukleotydową, ale metylowanym genem agouti jest ciemno ubarwiona, szczupła i zdrowa. Potomstwo myszy żółtej, karmionej w trakcie ciąży preparatami bogatymi w donory grupy metylowych było przeważnie szczupłe i zdrowe. Już te doświadczenia pokazują, jak ważnym prenatalnym czynnikiem rozwojowym jest menu matki.

Toksyny również mają swój udział w kształtowaniu wzoru metylacji. Ksenobiotyki takie jak beznopiren, wchodzący w skład dymu tytoniowego, zwiększają podatność na choroby nawet przez kilka kolejnych pokoleń. Związki negatywnie oddziałujące na układ endokrynowy, jak na przykład fungicyd winklozolina o działaniu anty-androgenowym prowadzą do zmian w komórkach prekursorowych spermy, utrzymujących się co najmniej przez cztery generacje.

Wzbogacenie diety w kwasy Omega-3 w trakcie ciąży i laktacji może uchronić potomstwo przed chorobą nowotworową wskutek zmian epigenetycznych następujących już w trakcie formowania się płodu. Badacze z Marshall University przeprowadzili badania, w których dwie grupy myszy w ciąży karmiono różnymi składnikami. Jedna grupa otrzymywała olej bogaty w kwasy Omega-3, a druga – Omega-6. Porównano profile ekspresji komórek sutka u potomstwa i zaobserwowano różnice dotyczące wielu genów związanych z rozwojem nowotworu, w tym dwóch istotnych epigenetycznie markerów.

Prace innego zespołu z North Dakota State University dowodzą, że dieta matek bogatsza w lipotropowe składniki odżywcze, tj. metionina, cholina, folian i witamina B12, zwiększa metabolizm metylu, który stymuluje pełen rozwój gruczołu sutkowego, wpływa na epigenetyczny imprinting w komórkach i zmniejsza tym samym ryzyko zachorowania na raka u potomstwa. Badania dotyczyły grupy 45 samic szczurów w ciąży, podzielonej na dwie podgrupy, otrzymujące zwykłe pożywienie i wzbogacone w związki zawierające grupy metylowe. Po działaniu na ich dorosłe potomstwo czynnikiem kancerogennym mierzono częstość wystąpienia, wielkość i objętość guzów. U córek szczurzyc na „specjalnej” diecie nowotwory, jeżeli już występowały, były zdecydowanie mniejsze i — co również ważne — nie przerzutowały.

Produkty spożywcze zawierające jednocześnie duże ilości kwasów Omega-3, kwasu foliowego i metioniny to przede wszystkim produkty pełnoziarniste, ryby morskie, jaja (które są też dosłownie kopalnią choliny), olej i siemię lniane. Witaminę B12 znajdziemy w mięczakach i cielęcinie. Przyszłe mamy, zwłaszcza te, u których ryzyko zachorowania z punktu widzenia genetyki jest wyższe, mogą więc od samego początku zadbać o zdrowie swoich dzieci w dorosłym życiu, wprowadzając te produkty do swojego codziennego jadłospisu.

Produkty wpływające na epigenom:

Kapusta

Prowadzone badania wykazały, iż rośliny kapustowate zaliczane są do głównych

źródeł substancji pochodzenia roślinnego o działaniu przeciwnowotworowym. Jedzenie kapusty zmniejsza zagrożenie zachorowania na wiele nowotworów, m.in. na raka płuc, narządów układu pokarmowo-wydalniczego (żołądek, okrężnica, odbyt), a także prostaty, pęcherza, raka piersi.

Wpływ warzyw kapustowatych na zmniejszenie ryzyka wystąpienia różnych rodzajów

nowotworu związany jest z obecnością dużych ilości cząsteczek fitochemicznych o właściwościach przeciwrakowych.

Właściwości przeciwnowotworowe mają też inne rośliny z grupy krzyżowych, takie jak:

chrzan, gorczyca, rzepak, brukiew, rzeżucha.

Następnym produktem wpływającym na nasz epigenom mogą być przyprawy. Dla profilaktyki przeciwnowotworowej duże znaczenie ma kurkuma. Jest to rozdrobnione kłącze rośliny Curcuma longa, obecnie szeroko stosowana w przemyśle jako barwnik, niestety w ilościach, które nie mają właściwości leczniczych. Kurkuma hamuje rozwój lub wręcz powoduje apoptozę komórek nowotworowych sutka, jajnika, żołądka, okrężnicy, skóry, wątroby, krwi (białaczka).

Podobne do kurkumy działanie wykazują także kolendra i cynamon.

Z kolei sól jak i cukier mogą już być naszym wrogiem. Sól powoduje problemy z krążeniem i sercem. Dieta bogata w sól kuchenną podnosi też ciśnienie, co długofalowo prowadzi do chorób układu krwionośnego. Nadmiar cukru wywiera silny negatywny efekt na funkcjonowanie mózgu, powoduje senność i drastyczny spadek naszej zdolności oceny i zapamiętywania.

Kolejnym produktem, który może wpływać na nasz epigenom jest herbata.

Zielona herbata wykazuje działanie najkorzystniejsze, gdy chodzi o zapobieganie nowotworom. W przeciwieństwie do innych odmian nie jest ona poddawana procesowi fermentacji i zachowuje najwięcej substancji przeciwrakowych takich jak: katechinę, teinę i polifenole. Katechina blokuje rozwój naczyń krwionośnych, które odżywiają guzy

nowotworowe.

Gruszki

To również produkt wpływający na epigenom.

Z uwagi na dużą zawartość kwasu elagowego, minerału boronu oraz nierozpuszczalnego

błonnika działających synergicznie, są uważane za doskonały czynnik zapobiegający

i zmniejszający rozwój guzów włóknistych oraz innych łagodnych nowotworów.

Kolejny produkt to żurawina. Zawiera kwas elagowy i kwercetynę o właściwościach antyoksydacyjnych i antynowotworowych. Kwercetyna pomaga obniżać ryzyko zawału serca oraz udaru.

Soja

Główne związki fitochemiczne występujące w soi to substancje z grupy polifenoli

zwane izoflawonami. Najwięcej izoflawonów zawierają przetwory soi takie jak: mąka,

ziarna czy mleko. Izoflawony mają zdolność wpływania na wiele zjawisk

związanych z niekontrolowanym wzrostem komórek rakowych, m.in. genisteina, blokuje aktywność wielu enzymów zaangażowanych w niekontrolowany rozrost komórek guza, w ten sposób powstrzymując rozwój

raka prostaty i piersi.

Imbir i chili zapobiegają powstawaniu komórek zmutowanych i nowotworowych, kolendra niestety działa dopiero w dużych stężeniach, goździki, cynamon i pieprz. Ich ekstrakty zachowują swoje właściwości po gotowaniu przez 30 minut, są one termostabilne.

Ciekawe działanie wykazuje także szafran. W badaniach na myszach i szczurach okazało się, że hamuje on powstawanie guzów skóry, jelita grubego i tkanek miękkich, w połączeniu z aminokwasem cysteiną i witaminą E chroni przed szkodliwym działaniem cisplatyny (leku przeciwnowotworowego).

Kiwi

Jest jednym z najbardziej niedocenionych owoców leczniczych, bogate w witaminę C

(16-krotnie większa zawartość niż w pomarańczach), jak również posiada znaczne ilości

witaminy E. Z uwagi na dużą zawartość przeciwutleniaczy i mikroelementów owoc ten

jest czasem polecany w walce z rakiem i chorobami serca.

Arbuz

Arbuzy zawierają duże ilości likopenu i glutationu o właściwościach antyoksydacyjnych

i antynowotworowych. Posiadają także zdolność do odtruwania organizmu.

Granaty

Badania na myszach, którym wszczepiono komórki raka prostaty człowieka, wykazały,

że ekstrakt z granatów nie tylko niszczy już istniejące ogniska nowotworu, ale też zapobiega

tworzeniu się nowych. Im większą dawkę soku spożyły myszy, tym więcej komórek

rakowych ginęło.

Pomidory

Zawierają likopen (czerwony barwnik) silny antyutleniacz.

Badania wykazały, że u ludzi spożywających dużo pomidorów spada ryzyko raka piersi, odbytnicy i okrężnicy. Likopen redukuje także poziom antygenu PSA, co może chronić także przed rakiem prostaty. Obniża także dwukrotnie ryzyko zawału serca.

Brokuły

Skutecznie zapobiegają rakowi (piersi, okrężnicy i prostaty), i chorobom serca. Swoje właściwości zawdzięczają obecności sulforafanu, który zapobiega zmianom w DNA pod wpływem chemikaliów, które mogą prowadzić do powstawania komórek nowotworowych.

Ostatnie badania dowiodły także, że sulforafan działa zabójczo na bakterie Helicbacter

pylori, które wywołują wrzody i raka żołądka.

Jeszcze lepszym źródłem sulforafanu są kiełki brokułów maja go 20 do 50 razy więcej

niż dojrzałe warzywa.

Brukselka

Zawiera indol-3-karbinol, który w organizmie człowieka blokuje nadmiar estrogenu, który może przyczynić się do powstawania niektórych rodzajów raka piersi. Stosowana jest także w profilaktyce nie tylko raka piersi, ale także prostaty i okrężnicy.

Burak

W profilaktyce nowotworów może być wykorzystywany ze względu na swoje właściwości krwiotwórcze przy białaczce.

Cebula i czosnek

Warzywa z tej rodziny zawierają S-allilocysteinę, różne związki siarkowe (DAS, DADS)

oraz kwercetynę, które chronią przed różnymi rodzajami raka. Badania wykazały szczególnie

korzystny wpływ na układ pokarmowy obniżając zagrożenie nowotworami przełyku,

okrężnicy i żołądka. Czosnek jedzony, co najmniej raz w tygodniu obniża ryzyko zachorowania na raka okrężnicy o 35%. Badania wykazały, że osoby, które spożywały mało czosnku i cebuli trzykrotnie częściej zapadały na raka żołądka.

Spożywanie ponad 10 gramów dziennie czosnkowatych zmniejsza ryzyko nowotworu prostaty o połowę.

Wino

Przeciwrakowe właściwości czerwonego wina gronowego wiąże się głównie z resweratrolem

ale zawiera ono także polifenole. Ich działanie przeciwnowotworowe polega na

neutralizacji wolnych rodników, które niszczą DNA komórek i mogą prowadzić do powstawania

nowotworów (sutka, okrężnicy i przełyku). Szklanka wina pita codziennie zmniejsza o 40%

zachorowania na raka prostaty.

Czekolada

Protoantocyjanidyny z miazgi kakaowej mogą opóźniać rozwój raka płuc u zwierząt laboratoryjnych. Przyswajanie polifenoli z kakao ma podstawowe znaczenie dla wzrostu komórek rakowych i angiogenezy. Dzienne spożycie 40 g gorzkiej czekolady, zawierającej 70% miazgi kakaowej, może dostarczyć dziennej dawki polifenoli i skutecznie zapobiegać chorobom układu krążenia oraz rakowi.

Witaminy

Wykazano, że niedobory kwasu foliowego, witaminy B12 i B6 odpowiadają za występowanie raka jelita, chorób serca i dysfunkcji mózgu. Niedobór witaminy E sprzyja zwięk­szeniu ryzyka wystąpienia raka jelita i chorób serca, upo­śledza odporność. Niedobór witaminy C może skutkować zaćmą i nowotworami, do których również predysponuje niedobór żelaza i cynku.

Nieznany jest rodzaj uszkodzenia DNA jaki wywołują nie­dobory witamin B12 i B6. Niedobór kwasu foliowego powo­duje natomiast pęknięcia nici DNA, a niedobór witaminy E i C wpływa na proces utleniania zasad nukleinowych. Niedobór żelaza i cynku może powodować pęknięcia nici DNA i utlenianie zasad nukleinowych.

Podsumowanie

„Epigenom” staje się dziedziczny. Oznacza to, że jeśli nasza babcia jadła za dużo cukru albo za dużo zawierającego rtęć sushi, to zmiany genetyczne, które w wyniku tego u niej nastąpiły, mogą dotknąć nas samych. W takim wypadku, jej epigenom niósłby podwyższone ryzyko choroby, które może być przekazywane z pokolenia na pokolenie.

Literatura:

Beliveau R., Gingras D., Dieta w walce z rakiem. Profilaktyka i wspomaganie terapii przez odżywianie”. Wyd. Delta

Dyzmann-Sroka A., Jędrzejczak A (red.) Profilaktyka pierwotna przez zdrową dietę (dieta w walce z rakiem). Wielkoposkie centrum onkologii, Poznań 2008.

Franczuk M., Dieta pod mikroskopem - nakarmić epigenom.

Gętek M., Nutrigenomika- bioaktywne składniki żywności. Wyd. SUM, Katowice 2013.

McCarthy, M.I. 2010. Genomics, type 2 diabetes, and obesity. N Engl J Med. 363(24): 2339-50. Review.