Nutrigenetyka Wykład 8 PDF

Wykład 8 Nutrigenetyka Nutrigenetyka – nauka o różnicach i predyspozycjach genetycznych warunkujących osobniczą wrażliwość na aktywne składniki diety. Nutriepigenomika – badania populacyjne. Związki między dietą a chorobami odcywilizacyjnymi, ekogenetycznymi,...

Wykład 8 Nutrigenetyka Nutrigenetyka – nauka o różnicach i predyspozycjach genetycznych warunkujących osobniczą wrażliwość na aktywne składniki diety. Nutriepigenomika – badania populacyjne. Związki między dietą a chorobami odcywilizacyjnymi, ekogenetycznymi, dietozależnymi. Wykorzystanie technik genomicznych. Wpływ aktywnych składników diety na epigenom. Genomika żywieniowa – analizy żywnościowe, żywieniowe i genetyczne oddziaływania diety na zdrowie człowieka. Epigenetyka – nauka badająca zmiany ekspresji genów, które mogą być dziedziczone (dziedziczenie pozagenowe), ale nie wynikają ze zmian w pierwszorzędowej sekwencji DNA Genom U ludzi dwa genomy: - jądrowy – podstawowy, monoploidalny zespół chromosomów i ich informacja genetyczna - mitochondrialny Organizm diploidalny – posiadający podwójny genom (kopia od ojca i matki) Genotyp – całość informacji genetycznej w chromosomach organizmu Epigenom – zestaw modyfikacji DNA i białek histonowych warunkujących jego zróżnicowaną ekspresję (modyfikacje struktury chromatyny). Może ulegać dynamicznym zmianom. Odpowiada np. za odmienny sposób ekspresji takiego samego zestawu genów u blisko spokrewnionych osób Wielkosć genomu: 3tys. x 10^6pz Liczba genów: ok. 25 000 Najdłuższy gen: gen dystrofiny (2,4mln pz) Najdłuższy produkt genu: tityna (34350aa) Geny kodujące białka to tylko 1,5% genomu. Reszta to geny kodujące rRNA (4% genomu), sekwencje powtórzeniowe (45%), inne (regulatorowe, międzygenowe, niepowtarzalne). Dieta jako czynnik środowiskowy - Kraje uprzemysłowione – nadmierna podaż kalorii i wysoko przetworzonych pokarmów-> przewlekłe choroby (cukrzyca typu II, otyłość, choroby CVS, nowotwory) - Kraje biedne – złe odżywianie i niedożywienie, płodowe początki powstawania chorób w wieku dorosłym -> większa zachorowalność i umieralność noworodków, wzrost wad wrodzonych (zwłaszcza CNS), dużo chorób przewlekłych w okresie dorosłym Składnik żywności – substancja zawarta w żywności o wartości odżywczej oraz substancje dodatkowe  Receptory smakowe Smaki: - Słodki – receptor T1R - Słony – receptor TRPV1, receptory kanału sodowego ENaC - Kwaśny – receptory kanału jonowego PKD1L3 i PKD2L1 - Gorzki – receptor T2R - Umami – receptor T1R – od glutaminianu (białka roślinne, zwierzęce), inozynianu (mięso), guanylanu (rośliny). Pokarmy bogate w niego są zdrowe (są choćby bardzo sycące), pierwszy poznawany smak. - „Tłuszczowy” – receptory CD36 Polimorfizmy genów receptorów smakowych -> różne odczuwanie smaków -> preferencje populacyjne i osobnicze -> stan odżywienia osoby i populacji Przykład: wrażliwość na gorzki smak (rozpoznawanie 6-N-propylotiouracylu) -> ograniczone spożycie np. brukselki -> niskie spożycie folianów i witaminy K -> choroby Wrażliwość na zawartość cukru (polimorfizm T1R. T1R2 i T1R3 wyczuwają słodycz w niskich stężeniach jako heterodimery, jeśli to homodimery, to w wysokich. Dodatkowo wyczuwane słodziki) -> spożycie jakości i ilości słodyczy Przykłady różnic w odpowiedzi na składniki diety Produkty mleczne: Polimorfizmy SNP genu receptora witaminy D (odmiany SS i BB) -> poziom przyswajanego wapnia i witaminy D w produktach mlecznych -> dieta bogata w niskotłuszczowe produkty mleczne -> spadek ryzyka wystąpienia raka jelita grubego Kofeina: Polimorfizmy SNP genów metabolizmu kofeiny (głównie cytochrom P-450) CYP1A2, A1R, A2R, ADORA2A, DRD2 i COMT -> predyspozycja do spożycia kofeiny (w jednej filiżance ok. 100mg) -> oddziaływanie na receptory adenozynowe i ich blokowanie w korze przedczołowej -> układ nagrody, neurotransmitery pobudzające, blokowanie efektu zmęczenia -> przewlekłe stosowanie i uzależnienie Kofeina w dawkach 600-700mg/dobę -> aktywacja receptorów adenozynowych -> działanie podobne do amfetaminy. Korzystne warianty CYP1A2 -> szybszy metabolizm kofeiny -> możliwe większe spożycie bez efektu pobudzającego i przy umiarkowanym spożyciu zmniejszone ryzyko chorób CVS. Niekorzystne warianty CYP1A2, receptorów adenozynowych, DRD2 (receptora dopaminowego) -> spożycie kofeiny -> większa tendencja do uzależnień, lęk, zaburzenia snu Niekorzystne warianty COMT (katecholometylotransferazy) -> spożycie kofeiny -> większa tendencja do zawału przez jej nadużycie Roślinne substancje aktywne: Dla zapobiegania chorobom odcywilizacyjnym należy preferować dietę śródziemnomorską – bogatą w błonnik (różnorodne, nietrawione i niewchłaniane polisacharydy) i kwasy omega. Polimorfizm SNP genu angiotensyny (treonina w miejscu 235): -> genotyp TT -> spadek ciśnienia przez wysokobłonnikową dietę przy nadciśnieniu -> genotyp TM lub MM (brak tej odmiany) -> brak wpływu diety na ciśnienie krwi Zmiana diety umożliwia też zmianę ilościową, jakościową i genetyczną w mikroflorze jelitowej. Np: Dieta wysokobłonnikowa u otyłych dzieci -> wzrost SNP u Faecalibacterium, Bifidobacterium, Clostridium, spadek SNP u Bacteroides -> zmiana ekspresji genów szlaków metabolicznych -> zmiany w metabolizmie aminokwasów, węgla, glukozy Dieta – środowiskowe uwarunkowanie zdrowia Aktywne składniki diety modulują wszystkie podstawowe procesy biologiczne (apoptoza, cykl komórkowy, różnicowanie się, homeostaza immunologiczna i hormonalna, modyfikacje epigenetyczne, naprawa DNA (sprzyjanie lub zapobieganie karcynogenezie)) Geny długowieczności Odziedziczalność długowieczności szacowana jest na 10-30%. Ważne szlaki sygnalizacyjne dla długowieczności: - szlak sygnałowy insuliny – aktywowany przez IGF-1. Szczególna rola. - szlak PI3K/AKT/MTOR – zasadnicza rola w regulacji proliferacji, wzrostu, dojrzewania komórek. Kinaza MTOR aktywowana w szlaku kinazy 3-fosfatydyloinozytolu. Szczególna rola tego szlaku. Dysregulacja -> m.in. nowotwory, cukrzyca t. II, choroby CVS, choroby neurologiczne (w tym neurodegeneracyjne) - szlaki naprawy DNA - szlaki utrzymania telomerów Polimorfizmy SNP genów: - APOE – koduje lipoproteinę ApoE w CNS. Udział w transporcie lipidów z krwi do mózgu. Odpowiedź na stres oksydacyjny, metabolizm lipidów - FOXO – jądrowy czynnik transkrypcyjny pośredniczący w kaskadzie reakcji wyzwalanych przez insulinę i insulinopodobny czynnik wzrostu (IGF-1). Regulacja proliferacji i różnicowania komórek, cyklu komórkowego, apoptozy i naprawy DNA. Odpowiedź na stres oksydacyjny, metabolizm glukozy Ograniczenia kaloryczne a wydłużenie życia Ograniczenia kaloryczne i niektóre aktywne składniki diety (np. resweratrol, choć dalsze badania poddają to akurat w wątpliwość) -> wzrost ekspresji i/lub aktywności sirtuiny-1 (Sirt1, NAD+-zależnej deacetylazy histonowej) -> zwiekszona deacetylacja histonów, wzrost metylacji DNA -> modulacja epigenetyczna Sirtuiny – 7 enzymów (Sirt1-7) uczestniczących w posttranslacyjnych modyfikacjach białek. Regulują wiele procesów (metabolizm glukozy, lipidów, apoptoza, naprawa DNA). Element konserwatywnego aparatu genetycznej kontroli starzenia – promocja przeżycia organizmów w niekorzystnych warunkach środowiska.  Mechanizmy interakcji składniki diety-genom Aktywne składniki diety mogą: - aktywować szlaki sygnałowe - wpływać na transkrypcję genów i aktywność enzymów - prowadzić do zatrzymania cyklu komórkowego - prowadzić do apoptozy – aktywacja np. białek Bcl2 -> mitochondrialny szlak apoptotyczny - hamować aktywność czynników transkrypcyjnych (np. NF-kappa-beta (kwercetyna, sylimaryna, kurkumina) - wiązać czynniki wzrostu i inne ligandy do receptorów błonowych Mechanizmy molekularne: - zmiana struktury chromatyny -> aktywacja/represja transkrypcji -> zmiany ekspresji genów, wpływ na stabilność genomu i procesy naprawy DNA - pobudzanie receptorów -> transkrypcja genów receptorozależnych i aktywność receptorów jądrowych -> wpływ na aktywność czynników transkrypcyjnych -> zmiany ekspresji genów, wpływ na stabilność genomu i procesy naprawy DNA Ważniejsze receptory jądrowe: - PAR – rodzina receptorów (alfa, beta, gamma) różnicująca i proliferująca adipocyty, regulująca metabolizm węglowodanów i lipidów, insulinowrażliwość. PAR-alfa obecny w tkankach z dużą degradacją tłuszczów (brunatna tkanka tłuszczowa, nerki, serce, mięśnie szkieletowe). PAR-beta najaktywniejszy w przełyku, nerkach i sercu. PAR-gamma najaktywniejszy w tkance tłuszczowej, jelitach, siatkówce, w strukturach układu immunologicznego. Aktywują je nienasycone kwasy tłuszczowe, flawony, cynamon - LXR – receptory wątrobowe X - RXR – receptor kwasu 9-cis-retinowego, reguluje metabolizm cholesterolu, metaboliczną homeostazę, centralny regulator wielu ścieżek sygnałowych. Żywnościowa informacja dla genów Bioaktywne składniki diety – cząsteczki sygnałowe wpływające (ilościowo i jakościowo) na ekspresję genów, które są ich cząsteczkami docelowymi i odbierają tak informacje ze środowiska zewnętrznego (rodzaj informacji zależy od rodzaju diety) Ich działanie prowadzi do odwracalnych zmian genomu i epigenomu -> plastyczność fenotypowa Fenotyp żywieniowy Zależy od czynników: - genetycznych - proteomicznych - metabolicznych funkcjonalnych - metabolicznych behawioralnych Umożliwia ocenę stanu odżywienia człowieka. Wpływ diety na genom i zdrowie. Definiują go badania żywieniowe: - stan odżywienia – wynikający ze sposobu żywienia. Badania antropometryczne, biochemiczne, kliniczne, behawioralne (preferencje żywieniowe, sposób żywienia, motywacja do żywienia, zachowania kontroli łaknienia, reglamentacji posiłków) - spożycie żywności - sposób żywienia Fenotyp żywieniowy – ilościowy przejaw szlaków oddziaływania genów i środowiska na zdrowie. Badania nutrigenomiczne są więc potrzebne do ułożenia zdrowej i bezpiecznej diety dla osób i grup w populacji, pozwalają też na odkrycie genów czy mechanizmów epigenetycznych oddziaływania diety na zdrowie. Indywidualizacja diety Metabotypowanie – fenotypowanie metaboliczne, dostosowanie sposobu żywienia do danego zestawu cech metabolicznych. Kluczowym elementem jest sposób pomiaru metabolitów (pomiar stężeń (najczęstszy, przed i po interwencji), zmiany stężeń w czasie, entropia metaboliczna, zależności czasoprzestrzenne między metabolitami) Genotypowanie – dostosowywanie sposobu żywienia do danego zestawu cech genetycznych, warunkujących cechy fenotypowe. Pomocnicze narzędzie metabotypowania. Ocenia się biomarkery genetyczne i biochemiczne różnymi metodami (SNP, MS, NMR, LG-MS) Fenotypowanie – dostosowanie sposobu żywienia do danego zestawu cech fenotypowych. Ocenia się cechy antropometryczne. Wszystko to (głównie metabotypowanie) służy do opracowania indywidualnej strategii żywieniowej. Zapobieganie chorobom dietozależnym Normy żywienia – standardy określające ilość energii i składników odżywczych wystarczające do zaspokojenia potrzeb żywieniowych wszystkich osób w określonej populacji (uwzględniając płeć, wiek, stan fizjologiczny czy aktywność fizyczną). Wyliczane dla wyliczonego, przeciętnego przedstawiciela danej grupy. Nie mogą być stosowane u osób wymagających specjalnego żywienia i u pojedynczych osób (są ustalane dla grup). Aktualizowane zwykle co 2-3 lata. Zindywidualizowana dieta – ustalana z użyciem żywieniowej genomiki. Cele: - ustalenie zaleceń żywieniowych o wysokiej wartości przewidywania – zapobieganie chorobie i minimalizowanie jej skutków - opracowanie skutecznych diet przy przewlekłych chorobach niezakaźnych z uwzględnieniem: * średniego zapotrzebowania grupy (EAR) * zalecanego spożycia (RDA) – najczęściej stosowane. Pokrywa zapotrzebowanie u 95% zdrowych, prawidłowo odżywiających się osób w grupie. * wystarczającego spożycia (AI) Badania genetyczne są przydatne w wypracowaniu minimalnego i maksymalnego spożycia, przydają się tu polimorfizmy SNP w genach białek metabolizmu składników odżywczych lub ich magazynowaniu. Znaczenie diet zindywidualizowanych – receptor witaminy D Warianty VDR -> różne zaopatrzenie w wit. D3 podczas suplementacji -> zróżnicowane ryzyko cukrzycy t. II, nowotworów, chorób autoimmunologicznych, chorób CVS Polimorfizm fragmentów restrykcyjnych genu receptora VDR + enzymy Pac1 (warianty Tt lub tt) i Foc1 (warianty FF) (MÓW WYRAŹNIEJ, BABO) -> lepsza odpowiedź na suplementację witaminą D3 Znaczenie diet zindywidualizowanych – apolipoproteina E Wariant genu APOE (APOE-2, -3, -4) w populacji kaukaskiej -> największa zawartość cholesterolu LDL u ludzi z allelem E-4, potem E-3, najmniejszy u E-2 + różnice w spożyciu tłuszczów, węglowodanów, preferencji pokarmowych -> dyslipidemia Znaczenie diet zindywidualizowanych – metabolizm folianów MTHFR (reduktaza 5,10-metylenotetrahydrofolianowa) – enzym ważny do metabolizmu folianów. Razem z wit. B12, B6 i kwasem foliowym reguluje st. homocysteiny we krwi. Powstaje ona z metioniny, połowa ulega remetylacji z powrotem do metioniny. Wariant p. Glu429Ala genu MTHFR -> spadek aktywności o 10% (heterozygoty AC) lub 40% (homozygoty CC) -> wzrost stężenia homocysteiny i metioniny -> uszkodzenia śródbłonka naczyń krwionośnych -> miażdzyca, udar niedokrwienny, demencja, choroby neurodegeneracyjne Wariant p. Ala222Val genu MTHFR -> spadek aktywności -> wady cewy nerwowej u płodu! Z powodu prawdopodobieństwa wystąpienia takich polimorfizmów, powinno się suplementować kwas foliowy i witaminy z grupy B, szczególnie u kobiet w wieku rozrodczym i w ciąży. Niedobór kwasu foliowego i wit. z gr. B -> spadek syntezy S-adenozynometioniny (SAM) -> niewystarczająca metylacja przy replikacji (hipometylacja) -> niestabilność genetyczna -> np. transformacja nowotworowa (rak piersi, jajnika, prostaty, wątroby, białaczki), nadaktywność limf. T w RZS, toczniu rumieniowatym układowym Epigenom a genom Polimorfizmy SNP (ponad 11mln) -> Allele genów -> różne profile metylacji DNA -> podłoże genetyczne modyfikacji epigenetycznych Polimorfizmy SNP -> odpowiedź na składniki diety -> dawcy grup metylowych, bioaktywne składniki diety -> modyfikacje epigenetyczne -> zmiana ekspresji genów Dieta -> wpływ na mikrobiotę -> metabolity bakterii -> modyfikacje epigenetyczne u ludzi -> zmiana ekspresji genów Epigenotyp Geny + warunki środowiskowe w życia człowieka -> epigenotyp Kod epigenetyczny – wzór modyfikacji chemicznych białek histonowych i DNA. Białka histonowe (H1, H2A, H2B, H3, H4) – zasadowe, oddziałujące z nicią DNA (oktamery histonowe), kompresują DNA i regulują aktywność genetyczną. Kod histonowy – modyfikacje białek histonowych (N-terminalne końce głównie histonów H3 i H4) regulujących skondensowanie chromatyny. Określa który region genomu w danym czasie ulega ekspresji – kieruje np. regulacją genomu z cyklem komórkowym, z naprawą uszkodzonych miejsc. Są to np.: - Acetylacja reszt lizyny – rozluźnia chromatynę -> wzrost aktywności transkrypcyjnej - Deacetylacja – kondensuje chromatynę -> spadek aktywności transkrypcyjnej - Fosforylacja – rozluźnia chromatynę -> wzrost aktywności transkrypcyjnej Oprócz modyfikacji histonów i DNA, kod epigenetyczny tworzą też oddziaływania regulatorowych cząstek RNA (siRNA, miRNA) – regulacja ekspresji genów. Same podlegają wpływom epigenetycznych modyfikacji. Modyfikacje białek histonowych Acetylacja – najlepiej poznany. Przyłączenie grupy acetylowej do lizyny na N-końcu histonu (ogon) -> spadek powinowactwa do DNA -> rozluźnienie chromatyny -> euchromatyna. Aktywacja transkrypcji, replikacja DNA, naprawa DNA, składanie chromatyny. Enzymy: acetylazy histonowe (np. acetylotransferaza histonowa (HAT)) Deacetylacja – proces odwrotny do acetylacji. Odłączenie grupy acetylowej -> wzrost powinowactwa do DNA -> kondensacja chromatyny -> heterochromatyna. Enzymy: deacetylaza histonowa (HDAC) Metylacja – Reszty lizynowe i arginowe na N-końcu histonu (H3, H4). Aktywacja, elongacja i represja transkrypcji. Enzymy: metylotransferaza histonowa (HMT) Demetylacja – proces odwrotny do metylacji. Enzymy: demetylaza histonowa (HDMS) Fosforylacja – reszty serynowe na N-końcu histonu (H2A, H2B, H3, H4). Aktywacja i represja transkrypcji, naprawa DNA, mitoza, apoptoza Ubikwitynacja – reszty lizynowe na C-końcu histonu (H2A, H2B). Aktywacja transkrypcji, mejoza Sumoilacja – represja transkrypcji ADP-rybozylacja – aktywacja transkrypcji (niepoznany dobrze) Biotynylacja – regulacja ekspresji, odpowiedź na uszkodzenia DNA Krotonylacja – aktywacja transkrypcji (niepoznany dobrze) Deiminacja – regulacja transkrypcji Izomeryzacja prolin – regulacja transkrypcji Modyfikacje DNA – metylacja DNA Grupa metylowa przenoszona z donora (najczęściej S-adenozynometionina) na C5 pierścienia pirymidynowego cytozyny. Katalizator: DNA-metylotransferaza (DNMT). Podlegają jej wyspy CpG – cytozyny w układzie dinukleotydowym (cytozyna-fosforan-guanina), częste w promotorach genu. Często niezmetylowane – hipometylacja DNA promotorowego. Metylacja -> hamowanie ekspresji genów Metylacja zachowawcza – metylacja DNA po replikacji nici w miejscach komplementarnych do metylowanych nici rodzicielskich -> dziedziczenie wzoru metylacji Metylacja de novo – przyłączenie grup metylowych w nowych miejscach -> zmiana wzoru metylacji nałożonego w gametach. Całkowite przegrupowanie wzoru metylacji zachodzi w komórkach prapłciowych (całkowita demetylacja podczas wędrówki do zawiązków gonad, wymazanie wzoru genomowego piętna rodzicielskiego, potem nałożenie nowych wzorów) oraz po zapłodnieniu (z wyłączeniem miejsc imprintingowych i niektórych transpozonów) Wzór genomowego piętnowania rodzicielskiego – zróżnicowana metylacja genów w zależności od pochodzenia od danego rodzica. Materiał od ojca bardziej zmetylowany Regulacja stanu funkcjonalnego chromatyny Modyfikacje epigenetyczne -> remodeling chromatyny -> rozluźnianie struktury -> region aktywny transkrypcyjnie (euchromatyna) Modyfikacje epigenetyczne -> remodeling chromatyny -> zamykanie chromatyny -> heterochromatyna o wysokim stopniu kondensacji -> regiony wyciszone genetycznie Kondensacja chromatyny: Przyłączenie DNMT + rekrutacja białek wiążących się z chromatyną -> uniemożliwienie transkrypcji Euchromatyna – wysoka acetylacja histonów, niska metylacja DNA Heterochromatyna – niska acetylacja histonów, wysoka metylacja DNA Rola epigenomu - Koordynowanie zależności środowisko-genom. Hipoteza 4R – zmiana genomu przez dietę wymaga odebrania (Received), nagrania jako modyfikacja (Record), zapamiętania w przyszłych pokoleniach komórek (Remember) i ujawnienia fenotypowo (Reveal) bodźca. Ekspozycja środowiska na genom w czasie -> zapamiętanie niektórych zmian epigenomu -> utrwalenie ich w pionie (ciało) i w poziomie (potomstwo) w kolejnych podziałach Dryf epigenetyczny U bliźniąt MZ, mimo identycznych genotypów, z upływem czasu wraz z różnicami w stylu życia obserwuje się coraz większe różnice epigenetyczne. Dryf epigenetyczny – płynne zmiany epigenomu zachodzące wraz z wiekiem. To jedna z głównych cech starzenia komórkowego – możliwe określenie wieku epigenetycznego komórki i tkanki, porównanie go z wiekiem kalendarzowym człowieka -> tempo starzenia się. Pamięć komórkowa – zachowywanie stanu epigenetycznego poprzez przenoszenie go do kolejnych pokoleń komórek na drodze mitozy Metylom – rozmieszczenie wysp CpG w genomie określający możliwe główne miejsca metylacji DNA Wzory epigenetyczne u bliźniąt MZ Dryfu epigenetyczny -> różne fenotypy mimo identycznych genotypów, np. zapadalność na różne choroby. Różnice w metylacji dotyczyły zarówno sekwencji repetytywnych, jak i genów o pojedynczych kopiach – istotny wpływ na ekspresję. Dieta ciężarnych ma wpływ na zdrowie dzieci i wnuków – korzystne są diety bogate w donory grup metylowych (metioninę, betainę, cholinę) – pokarmy bogate w kwas foliowy (sałata, groszek, fasola, ciemny chleb pełnoziarnisty, wątróbkę), cholinę (sałata, orzeszki ziemne, jaja, wątróbka), metioninę (szpinak, czosnek, orzeszki brazylijskie, tofu, fasola, cytrusy) Mechanizmy wpływu diety na poziom metylacji DNA - Donory grup metylowych -> zmiana dostępności tychże -> prawidłowa/nieprawidłowa metylacja DNA -> zdrowie lub problemy zdrowotne - Kofaktory dostarczane z żywnością -> zmiana aktywności DNMT - Kofaktory dostarczane z żywnością -> zmiana aktywności enzymów regulujących cykl metioniny (sprzężony z cyklem kwasu foliowego (wit. B9), we wszystkich komórkach, przeniesienie grupy metylowej z S-adenozynometioniny na inne związki. Powstaje S-adenozynohomocysteina, homocysteina i metionina (remetylacja homocysteiny) Przykład: mysz agouti Dowód na wpływ diety matki na epigenom potomstwa. Pod wpływem diety nastąpiła zmiana koloru futra potomstwa w stosunku do matek (z żółtego na brązowe) oraz spadek jego BMI. Gen agouti warunkuje różne kolory sierści zależnie od metylacji: - Całkowity brak metylacji – żółte futerko, większe BMI, większe ryzyko rozwoju otyłości i cukrzycy. - Zmetylowany gen – brązowe futerko, niskie ryzyko rozwoju w/w chorób. Ujawnia przekazywanie cech epigenetycznych wywołanych dietą matki kolejnym pokoleniom. Efekt epigenetycznego ograniczenia ekspresji genu agouti utrzymuje się do drugiego pokolenia. Dieta a metylacja DNA we wczesnym okresie rozwoju Zmiany metylacji DNA w okresie płodowym mogą skutkować zaburzeniami w dorosłości (nadwaga, otyłość, zaburzenia kardiometaboliczne). Poradnictwo żywieniowe w pierwszym roku życia -> wydłużony czas karmienia piersią -> kształtowanie prawidłowych nawyków żywieniowych w przyszłości -> zwiększenie metylacji DNA Spożycie donorów metylowych przed i w trakcie ciąży + suplementacja kwasem foliowym -> zmiany w metylacji genów noworodków (geny IGF1, IGF2, czynników wzrostu, leptyny, receptora retinoidowego, DNMT) -> prawidłowy metabolizm, regulacja wzrostu, łaknienia, utrzymania prawidłowego wzoru metylacji DNA Dieta a metylacja DNA w życiu dorosłym Transformacja komórek nowotworowych charakteryzuje się zmianami w lokalnej i globalnej metylacji DNA. Przykłady korelacji żywności z epigenomem: - rak żołądka: za dużo kcal, za mało witamin -> wzrost metylacji genu RUNX3 -> choroba. Więcej jaj i orzechów -> większa metylacja. Więcej owoców, węglowodanów, witaminy B1 i witaminy C -> spadek metylacji. - rak płaskonabłonkowy przełyku: pieczone mięso (głównie czerwone) -> wzrost metylacji genu P16 - > choroba - rak jelita grubego: alkohol, niedobory wit. B6, B9, B12 -> spadek metylacji genu IGF2 -> choroba - rak jelita grubego (inne przypadki): czerwone mięso, przetwory mięsne, wysokotłuszczowe produkty mleczne, rafinowane ziarna i desery -> spadek metylacji genu CIMP -> choroba - rak piersi: niedobory wit. B6, B9, B12 -> wzrost metylacji genów RAR6, BRCA1, RASSF1A -> choroba. B9 i B12 -> spadek metylacji RAR6 i BRCA1. Ryboflawina i pirydoksyna -> wzrost metylacji RAR6 Wzór metylacji zaburzają głównie: używki (alkohol), niedobory witamin (głównie B12 i B9 (kwas foliowy)), dieta wysokokaloryczna. Związki roślinne – modulatory epigenetyczne - Likopen – w pomidorach – modulacja DNA-metylotransferaz – najsilniejszy wpływ na metylację DNA - Floretyna – w jabłkach – modulacja DNA-metylotransferaz - Hesperydyna – w cytrusach – modulacja DNA-metylotransferaz - Kurkumina – w ostryżu – modulacja DNA-metylotransferaz oraz acetylaz i deacetylaz histonów – najsilniejszy wpływ na metylację DNA - Genisteina – w soi – DNA-metylotransferazy, acetylazy i deacetylazy histonów - Kwas kofeinowy – w kawie – DNA-metylotransferazy, acetylazy i deacetylazy histonów - Kwas kumarowy – w cynamonie – DNA-metylotransferazy, acetylazy i deacetylazy histonów – najsilniejszy wpływ na metylację DNA - EGCG (galusan epigallokatechiny) – w zielonej herbacie – DNA-metylotransferazy, acetylazy i deacetylazy histonów - Izotiocyjaniany – w brokułach – DNA-metylotransferazy, acetylazy i deacetylazy histonów - Kwas anakardowy – w orzechach nerkowca – acetylazy i deacetylazy histonów – najsilniejszy wpływ na modyfikację histonów - Resweratrol – w winogronach – acetylazy i deacetylazy histonów – najsilniejszy wpływ na modyfikację histonów - Merkaptan allilowy – w czosnku – acetylazy i deacetylazy histonów – najsilniejszy wpływ na modyfikację histonów Wpływ związków aktywnych na ekspresję genów Bezpośredni: wpływ na produkt białkowy Pośredni: zmiana szlaków transdukcji sygnałów w komórkach Przykłady genów docelowych: - HER2 – stymuluje wzrost komórek – związki w zielonej herbacie wyciszają geny sprzyjające rozwojowi raka jajnika -> spadek aktywności genu HER2 w komórkach rakowych - P16 – hamuje funkcję DNMT – związki w zielonej herbacie aktywują geny odpowiedzialne za metylację DNA - GSTT1 – koduje S-transferazę glutationową (GST) – sulforafan w brokułach stymuluje geny wytwarzające S-transferazę glutationową -> wzrost ilości glutationu - geny regulowane Nrf2 (MGST3, GCS, G6PDH i inne) – sulforafan w brokułach zwiększa aktywność enzymów II fazy - 123 geny, m.in. TP53 – zabezpieczenie komórek przed uszkodzeniami DNA, zatrzymanie cyklu komórkowego, indukcja apoptozy – aglikony (genisteina, daidzeina, glicyteina, uaktywniają się pod wpływem mikrobioty jelitowej) w soi regulują ekspresję genów związanych z przemianami estrogenowymi - COX2 – udział w stanach zapalnych – kurkumina w kurkumie wycisza geny od stanów zapalnych, przeciwdziała powstawaniu beta-amyloidu w chorobie Alzheimera, obniża ryzyko rozwoju raka jelita grubego GST – enzym w komórkach wątroby, sprzęga glutation z ksenobiotykami (spadek reaktywności i wzrost rozpuszczalności w wodzie), metabolizuje kancerogeny, zanieczyszczenia, detoksykuje potencjalnie szkodliwe substancje endogenne, cyto- i genotoksyczne, degraduje nadtlenki lipidowe Polifenole Najbogatsza grupa związków aktywnych. Klasy: flawonoidy, stilbeny, benzochinony, kwasy fenolowe, acetofenony, lignany, ksantony. Dzielone ze względu na liczbę pierścieni, ich połączenia itd. Wtórne metabolity roślinne. Jeden lub więcej pierścieni aromatycznych i różna liczba grup hydroksylowych -> działanie antyoksydacyjne. Mogą łączyć się z węglowodanami, kwasami organicznymi czy między sobą. Hamują DNMT, mają właściwości antyoksydacyjne, są modyfikatorami histonów -> zmiana epigenomu komórek nowotworowych -> terapie przeciwnowotworowe. Polifenole – flawonoidy Podklasy (w zależności od budowy pierścienia cyklicznego) np.: izoflawony (genosteina, daidzeina), flawanole (kwercetyna, epikatechina, epigallokatechina, katechina), flawony (apigenina), flawanony (hesperydyna), antocyjany Przeciwbakteryjne, przeciwwirusowe, przeciwzapalne, przeciwutleniające, detoksykacyjne, przeciwmalaryczne, neuroprotekcyjne, przeciwnowotworowe (rak piersi, płuc, glejak). Hamują podziały komórkowe, indukują apoptozę, hamują angiogenezę, metastazę (przerzutowanie). Zapobiegają zaburzeniom kardiometabolicznym, spowalniają utratę funkcji poznawczych Hesperydyna – skuteczny środek przeciwnowotworowy. Kapsułkowana zmniejsza żywotność komórek nowotworowych, jej kontrolowane uwalnianie zmniejsza cytotoksyczność stosowanej terapii. Ekstrakty ze skórki jabłka – hamowanie acetylocholinoesterazy, środek zapobiegający nadciśnieniu. Polifenole a równowaga HAT/HDAC Równowaga między metylacją/demetylacją DNA i acetylacją/deacetylacją histonów jest bardzo ważna. W patologii wzory metylacji i równowaga acetylacja/deacetylacja histonów są zaburzone. Związki hamujące deacetylazę histonową (merkaptan allilowy (silny), rezweratrol (najsilniejszy), polifenole) -> zapobieganie wyciszaniu genów w euchromatynie Związki hamujące acetylazy histonowe (kwas kumarowy, izotiocyjaniany) -> zapobieganie aktywacji repetytywnego, wyciszonego fizjologicznie DNA Epigenetyczny mechanizm działania polifenoli Niektóre to inhibitory i acetylaz, i deacetylaz histonowych. Jednoczesne zablokowanie tych enzymów -> modyfikacja histonów H3 i H4 -> silniejsze działanie przeciwnowotworowe. Polifenole -> przyłączanie do DNMT w obrębie genów supresorowych nowotworu -> inhibicja -> zmniejszona metylacja DNA, zwiększona acetylacja histonów -> możliwa replikacja genów supresorowych nowotworu -> zmniejszone ryzyko nowotworzenia  Flawonoidy – galusan epigallokatechiny (EGCG) Najaktywniejszy biologicznie polifenol zielonej herbaty. W jednej filiżance 50-100mg katechin (30mg to EGCG). Niska biodostępność po podaniu doustnym, wydalany z żółcią. Niska stabilność (mniej niż 10% zostaje po trawieniu), katechiny mogą być też degradowane przez bakterie, pH i wysoką temperaturę. Transport i wychwyt w jelicie poprawiają białka, kwas askorbinowy, sacharoza, ksylitol. Inhibitor DNMT i HAT, modulator ekspresji miRNA -> Demetyluje geny supresorowe nowotworu (P16, receptora kwasu retinowego beta), genów mutatorowe DNA (MMR) (MLH1, MLH2) Indukuje apoptozę, zatrzymuje cykl komórkowy, inhibuje stres oksydacyjny i angiogenezę, reguluje transdukcję sygnałów. Przy stosowaniu zmniejszona częstość raka żołądka, prostaty i sutka. Wpływ na rozwój raka przełyku, żołądka, jelita grubego (demetylacja genów MMR -> mniej zaburzeń naprawy DNA po replikacji) Analogi EGCG obecne w zielonej herbacie: galusan-3-epikatechiny (ECG), epigalokatechina (EGC), epikatechina (EC) metabolity EGCG (4’-metylo-EGCG (MeEGCG), 4’,4”-dimetylo-EGCG (DiMeEGCG)) Aktywność: EGCG > ECG, MeEGCG > EGC, DiMeEGCG > EC Polifenole – kwas kawowy i kwas chlorogenowy Związki w kawie: alkohole diterpenowe (gospodarka lipidowa), kwas chlorogenowy (silny przeciwutleniacz), kwas jabłkowy, cytrynowy, fosforowy, kwas kawowy i jego estry (kwas chinowy), garbniki, węglowodany, proteiny, lipidy, witaminy B3 (niacyna), witaminy z grupy B, magnez, potas Kwas kawowy – silny przeciwutleniacz, ochrona przed stresem oksydacyjnym (usuwanie RFT, hamowanie peroksydacji lipidów), hamuje metylację DNA w komórkach nowotworowych, ogranicza proces inicjacji nowotworowej (nasilona apoptoza, regulacja cyklu komórkowego) Kofeina, kwas chlorogenowy, magnez – wzrost insulinowrażliwości, zmniejszają prawdopodobieństwo chorób metabolicznych, otyłości Kwas kawowy i chlorogenowy – hamowowanie metylacji promotoru genu RAR-beta w liniach komórkowych raka piersi. Flawonoidy – resweratrol W winogronach (najwięcej. W skórce, w soku, ilość zależy od warunków), borówce czerwicy, borówce amerykańskiej, żurawinie, czarnej morwie, jagodach, orzechach ziemnych. Dobrze rozpuszczalny w alkoholach i dimetylosulfotlenku, słabo rozpuszczalny w wodzie. Wchłaniany w ok. 20% w jelicie. Tam i w wątrobie glukuronizowany i sprzegany z kwasem siarkowym. Metabolity wydalane przez nerki i z kałem. Antyoksydacyjny, antyandrogenny, agonista receptorów estrogenowych, przeciwzapalny (hamuje aktywność oksygenazy hemowej-1, -2, peroksydazy, czynnika NF-kappa-beta), przeciwwirusowy (wobec wirusa opryszczki, hamuje jego replikację we wczesnej fazie zakażenia), chroni DNA przed uszkodzeniami oksydacyjnymi, reguluje gospodarkę lipidową (zahamowanie syntezy endogennych triglicerydów), hamuje oksydację cholesterolu LDL, neuroprotekcyjny (obniża poziom beta-amyloidu, uczestniczy w jego degradacji), aktywator sirtuin (głównie -1 i -2 -> wydłuża życie), inhibitor DNMT Resweratrol -> zwiększenie wrażliwości na insulinę, zwiększenie poziomu IGF-1, aktywności białkowej kinazy aktywowanej AMP, koaktywatora 1-alfa-receptora gamma aktywowanego proliferatorem peroksysomów (PGC-alfa), biogenezy mitochondriów -> szlaki energetyczno-metaboliczne -> wydłużenie życia komórek Moduluje szlaki sygnałowe: wpływ na np. jądrowy czynnik transkrypcyjny pochodzenia erytroidalnego typu II (Nrf2), czynnik NF-kappa-beta, aktywizacja sirtuiny-1, aktywowanie 5’-AMP kinazy białkowej -> działanie apoptotyczne i przeciwnowotworowe – chemoprewencyjne. Indukuje apoptozę komórek nowotworowych, hamuje ich proliferację (raki skóry, wątroby, piersi, prostaty, płuca, jelita grubego), blokuje angiogenezę, inwazyjność, metastazę (hamowanie powstawania wolnych rodników, aktywność antymutagenna, indukcja enzymów II fazy (np. reduktazy chinonowej)). W komórkach raka piersi: zapobieganie wyciszaniu genu supresorowego BRCA-1 przez inhibicję DNMT Flawonoidy – izoflawony – genisteina Obecna w soi. Optymalna dawka izoflawonów dla działania protekcyjnego: 60mg dziennie. Skuteczna w zwalczaniu pasożytów jelitowych (tasiemiec drobiu, motylica wątrobowa, bąblowiec wielojamowy) przez hamowanie ich enzymów szlaku glikolizy. Hamuje DNMT, HDAC, wzmaga aktywność HAT, moduluje ekspresję miRNA. Przeciwutleniająca. Agonista receptorów estrogenowych (alfa i beta) – wywołuje reakcję komórkową -> łagodzenie objawów menopauzy, prewencja nowotworów piersi i prostaty, angiogenezy i przerzutowania (cytotoksyczna wobec komórek rakowych estrogenozależnych). Chemoprewencyjna (wpływa na ścieżki proliferacji, cyklu komórkowego, hamuje aktywację NF-kappa-beta przez szlak AKT (równowaga przeżycie-apoptoza)). Moduluje wiązanie NF-kappa-beta w komórkach nowotworów prostaty, piersi, głowy i szyi, trzustki. Hamuje aktywację szlaku kinazy AKT -> hamowanie sygnałów przeżycia -> apoptoza. Zmniejsza częstość chorób CVS, zapobiega osteoporozie, łagodzi dolegliwości pomenopauzalne, w znacznych ilościach zmniejsza masę ciała i tkankę tłuszczową, reguluje stężenie insuliny, leptyny, hormonów tarczycy, ACTH, kortyzolu, kortykosteronu. Reguluje lipogenezę i lipolizę. Zmniejsza częstość raka endometrium i raka piersi. Efekt hamujący w nowotworach szyjki macicy, prostaty, jelita grubego i przełyku. Słabsza, ale bardziej stabilna niż EGCG -> wyższe możliwe stężenie w komórkach, lepsze wchłanianie Polifenole – kurkumina Obecna w kurkumie. Niska rozpuszczalność i wysoka niestabilność w wodzie -> niska biodostępność. Wchłanianie o wiele lepsze w obecności piperyny (pieprz) lub kapsaicyny (ostra papryka) Przeciwutleniająca, przeciwzapalna (hamowanie wytwarzania syntazy tlenku azotu, aktywności oksygenazy COX-2, produkcji cytokin prozapalnych (IL-1, IL-6, IL-8, interferon gamma, TNF-alfa), NF- kappa-beta, regulacja aktywności metaloproteinaz), przeciwnowotworowa (inhibitor HAT i HDAC), wpływa na enzymy detoksykujące i na aktywność komórek T, makrofagów, neutrofili. Indukuje apoptozę, hamuje angiogenezę i przerzutowanie, działa neuroprotekcyjnie. Potencjalnie efektywna w leczeniu raka piersi przy zwiększonej biodostępności (np. nanoczastki kurkuminy pokryte albuminą lub syntetyczny analog B-14).  Izotiocyjaniany – sulforafan W brokułach, kalarepie, kapuście czerwonej. Z hydrolizy glukorafaniny z udziałem mirozynazy. 7-8mg na 100g świeżej masy, zależy od odmiany warzywa i etapu wzrostu (np. najwięcej w kiełkach brokuł, więcej w surowych warzywach). Chemoprewencyjny (moduluje aktywność enzymów I fazy (hamuje CYP1A1, CYP2B1, CYP1B2) i II fazy – biotransformacja kancyrogenów i innych ksenobiotyków, blokuje wiązanie karcynogenów z DNA), wspomaga usuwanie związków mutagennych i genotoksycznych. Działa na każdym etapie nowotworzenia (proliferacja, cykl komórkowy, apoptoza, różnicowanie się, przerzutowanie). Zdolność do chemoprewencji zależy od uwarunkowań genetycznych – polimorfizmy genów dla S- transferazy glutationu (GSTM1, GSTT1) (enzymy II fazy) -> indywidualna odpowiedź na izotiocyjaniany. Inhibują mediatory prozapalne (ograniczenie ekspresji mRNA od TNF-alfa, IL-1, COX-oksygenazy 2) Przy dłuższym stosowaniu powodował spadek tworzenia spontanicznych polipów jelitowych u myszy. Hamuje aktywność HDAC i DNMT już po 3-6 godzinach po zjedzeniu kiełków brokułowych. Witaminy B – foliany Źródła: rośliny strączkowe, wątróbka, drożdże, warzywa zielonolistne, pomarańcze, orzechy Niezbędne do wzrostu i podziału komórek. Synteza kwasów nukleinowych, puryn, pirymidyn, hydroksylacji długołańcuchowych kwasów tłuszczowych, razem z B12 przekształcają homocysteinę do metioniny. Niedobór: wzrost homocysteiny we krwi -> czynnik ryzyka chorób CVS, zaburzenia hemopoezy, układu nerwowego Wysokie spożycie: spadek ryzyka chorób CVS, zaburzeń hemopoezy, zaburzeń układu nerwowego, nowotworów Im więcej folianów, tym większa metylacja DNA. Za mało folianów -> hipometylacja DNA (jelito grube, wątroba) Chemoprewencja – terapia epigenetyczna Stosowanie naturalnych lub sztucznych modulatorów epigenetycznych dla zahamowania, odwrócenia lub opóźnienia kancerogenezy. Przede wszystkim inhibują DNMT (np. inhibitory nukleozydowe: 5-azacytydyna, 5-aza-2- deoksycytydyna), HDAC (trichostatyna A, maślan fenylu). Główny cel: demetylacja hipermetylowanych regionów promotorowych nieprawidłowo wyciszonych genów supresorowych (P16, RB, MLH1, E-adheryny, TIMP, maspiny, PAX6, MYOD, antygenów nowotworowych, DAPK1, kaspazy 8)