Epigenetics - ความลับของการสืบทอด Epigenetics และมะเร็งอาหารและออทิสติก

อาหารสามารถเปลี่ยนยีนของเราได้หรือไม่? ความชอกช้ำในวัยเด็กของเราสามารถส่งผลกระทบต่อลูกและหลานของเราได้หรือไม่? คำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้สามารถหาได้จาก epigenetics นั่นคือวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาสิ่งที่เรียกว่า การปรับเปลี่ยน epigenetic ปัจจุบันการปรับเปลี่ยน epigenetic ถือเป็นการค้นพบที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งในอณูชีววิทยาเนื่องจากอนุญาตให้เข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างภูมิหลังทางพันธุกรรมและปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม

สารบัญ:

1. Epigenetics - การดัดแปลง Epigenetic คืออะไร?
2. Epigenetics - ประเภทของการปรับเปลี่ยน epigenetic
3. Epigenetics - บทบาทของการปรับเปลี่ยน epigenetic
4. Epigenetics - อาหาร
5. Epigenetics - ความหลากหลายของยีน MTHFR
6. Epigenetics - ความเครียด
7. Epigenetics - ผลกระทบต่อสุขภาพ

Epigenetics เป็นสาขาหนึ่งของวิทยาศาสตร์ที่ศึกษาการเปลี่ยนแปลงในการแสดงออกของยีนที่ไม่ได้เกิดจากการปรับเปลี่ยนลำดับในสายดีเอ็นเอ การดัดแปลงดังกล่าวเรียกว่า epigenetic และเป็นเครื่องหมายโมเลกุลชนิดหนึ่งที่เพิ่มเข้าไปในสายดีเอ็นเอโดยเอนไซม์ที่เหมาะสมเช่น methyltransferases

ด้วยความช่วยเหลือของการปรับเปลี่ยน epigenetic ร่างกายสามารถควบคุมกระบวนการทางชีววิทยาที่สำคัญหลายอย่างเช่นการพัฒนาเนื้อเยื่อและอวัยวะเฉพาะในครรภ์

คำว่า "epigenetics" ถูกใช้ครั้งแรกโดย Waddington ในปีพ. ศ. 2485 คำนำหน้า "epi-" มาจากคำภาษากรีก "ข้างต้น" ซึ่งแปลอย่างหลวม ๆ หมายถึงสิ่งที่อยู่เหนือพันธุศาสตร์คลาสสิก

Epigenetics - การดัดแปลง Epigenetic คืออะไร?

เครื่องหมายโมเลกุลที่เพิ่มเข้าไปในสายดีเอ็นเอในระหว่างการปรับเปลี่ยนอิพิเจเนติกสามารถตัดสินใจได้ว่ายีนจะแสดงออกหรือไม่โดยทำหน้าที่เป็น "สวิตช์" และ "สวิตช์" ระดับโมเลกุลที่ควบคุมการแสดงออกของยีนโดยเฉพาะ

สิ่งสำคัญที่สุดคือการปรับเปลี่ยนดังกล่าวไม่ได้เปลี่ยนโครงสร้างของสายดีเอ็นเอกล่าวคือไม่ใช่การกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมประเภทหนึ่งที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ แต่เป็นสิ่งที่ผ่านการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกภายใต้อิทธิพลของปัจจัยแวดล้อม

นอกจากนี้ยังมีการเพิ่มหรือลบเครื่องหมายโมเลกุลที่เหมาะสมหลังจากการแบ่งเซลล์แต่ละครั้งและการทำสำเนาสายดีเอ็นเอ

ดังนั้นแต่ละเซลล์จึงมีรูปแบบลักษณะเฉพาะของเครื่องหมายโมเลกุลซึ่งกำหนดโปรไฟล์การแสดงออกของยีนที่เฉพาะเจาะจง การรวบรวมเครื่องหมายโมเลกุลดังกล่าวเรียกว่า epigenome

การดัดแปลง epigenetic ที่รู้จักกันดีคือ DNA methylation ซึ่งประกอบด้วยการเชื่อมต่อกลุ่ม methyl กับ cytosine (สารประกอบพื้นฐานที่เป็นส่วนหนึ่งของ DNA)

ในทางกลับกันการปรับเปลี่ยน epigenetic แบบย้อนกลับเป็น methylation คือ demethylation ซึ่งประกอบด้วยการลบกลุ่ม methyl ออกจาก cytosine

Epigenetics - ประเภทของการปรับเปลี่ยน epigenetic

การดัดแปลง Epigenetic สามารถส่งผลโดยตรงต่อสาย DNA:

• DNA methylation เช่นการติดกลุ่ม methyl กับ cytosine โดยใช้ DNA methyltransferases
• DNA demethylation คือการกำจัดหมู่เมธิลออกจากไซโตซีนโดยใช้ DNA demethylases
• นอกจากนี้การปรับเปลี่ยน epigenetic ทำขึ้นกับโปรตีนที่ไม่มี DNA เป็นบาดแผลเช่นฮิสโตน:
• เมธิลของไลซีนและอาร์จินีนที่ตกค้างของฮิสโตนด้วยฮีสโตนเมทิลทรานเฟอเรส
• demethylation ของไลซีนและอาร์จินีนที่ตกค้างของฮิสโตนด้วย histone demethylases
• acetylation ของฮิสโตนไลซีนตกค้างด้วย histone acetyltransferases
• deacetylation ของฮิสโตนไลซีนตกค้างโดย histone deacetylase
• ฟอสโฟรีเลชันของฮิสโตนซีรีนตกค้างโดยไคเนส
• การแพร่กระจายของสารตกค้างของฮิสโตนไลซีนโดยการเชื่อมต่อโปรตีน ubiquitin กับฮิสโตนด้วยการใช้เอนไซม์ E1, E2 และ E3
• ไรโบซิลเลชันของฮิสโตนกลูตามีนและอาร์จินีนตกค้างที่เกี่ยวข้องกับการยึดติดของนิวคลีโอไทด์ ADP-ribose ด้วยการใช้โพลีเมอเรสและทรานส์เฟอเรส

การปรับเปลี่ยน epigenetic ผิดปกติเป็นสิ่งที่เรียกว่า โมเลกุล RNA ที่ไม่เข้ารหัสเช่น microRNA (miRNA) เป็นโมเลกุล RNA แบบเกลียวเดี่ยว (สารประกอบคล้ายดีเอ็นเอ) ที่สั้นซึ่งสามารถควบคุมการแสดงออกของยีนโดยการปิดกั้นการสร้างโปรตีน

Epigenetics - บทบาทของการปรับเปลี่ยน epigenetic

• การแสดงออกของยีนที่เพิ่มขึ้น
• การปิดเสียงการแสดงออกของยีน
• การควบคุมความแตกต่างของเซลล์ในร่างกาย
• การพัฒนาตัวอ่อน
• การควบคุมระดับการควบแน่นของโครมาตินเช่นการปิดใช้งานโครโมโซม X ซึ่งในผู้หญิงมียีนที่เชื่อมโยงกับเพศเพียงสำเนาเดียวเท่านั้นที่ทำงานได้

ผึ้งเป็นตัวอย่างที่น่าสนใจของบทบาทของการปรับเปลี่ยน epigenetic ในการพัฒนาสัตว์ ในแมลงเหล่านี้ราชินีเป็นแม่ของผึ้งทั้งหมดในรังเดียวด้วยเหตุที่พวกมันทั้งหมดมีลำดับดีเอ็นเอเหมือนกัน

ถึงกระนั้นรังหนึ่งก็อาศัยอยู่โดยแมลงที่มีลักษณะและพฤติกรรมแตกต่างกัน คนงานมีขนาดเล็กกว่าราชินีและมีอารมณ์อ่อนโยนในขณะที่ทหารมีขนาดใหญ่และก้าวร้าว

ความแตกต่างเหล่านี้เกิดจากการปรับเปลี่ยน epigenetic ซึ่งกำหนดลักษณะและพฤติกรรมของผึ้งที่ปรับให้เข้ากับบทบาทที่พวกมันเล่นในชุมชนรัง

มีการสังเกตกลไกที่คล้ายกันในระหว่างการพัฒนาทารกในครรภ์ของสัตว์เมื่อการปิดเสียงและเพิ่มการแสดงออกของยีนที่เฉพาะเจาะจงจะส่งผลต่อชะตากรรมของเซลล์ต้นกำเนิดที่กำหนดไม่ว่าจะเป็นเซลล์ประสาทสมองหรือเซลล์เยื่อบุผิวในกระเพาะอาหาร

Epigenetics - อาหาร

การปรับเปลี่ยนของ Epigenetic เกิดขึ้นแล้วในช่วงชีวิตของทารกในครรภ์และอาจมีการเปลี่ยนแปลงแบบไดนามิกตลอดชีวิตภายใต้อิทธิพลของปัจจัยแวดล้อม

ปัจจัยที่สำคัญที่สุดอย่างหนึ่งที่มีผลต่อรูปร่างของ epigenome คืออาหารและสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพ

อิทธิพลของอาหารที่มีต่อการปรับเปลี่ยน epigenetic ได้รับการยืนยันในการศึกษาทางคลินิกและทางคลินิกจำนวนมาก

มีกลไกอย่างน้อยสองประการที่อาหารอาจมีผลต่อการปรับเปลี่ยน epigenetic โดยส่วนใหญ่เป็นกระบวนการ methylation:

• โดยการเปลี่ยนความพร้อมใช้งานของผู้บริจาคเมธิลเช่น S-adenosylmethionine (SAM) ซึ่งสังเคราะห์ในวัฏจักรของเมไทโอนีนจากสารตั้งต้นหลายชนิดที่มีอยู่ในอาหาร ได้แก่ เมไทโอนีนโคลีนและเบทาอีนอนุพันธ์กรดโฟลิกและวิตามินบี 2 บี 6 และบี 12 ดังนั้นความพร้อมใช้งานที่ลดลงของสารประกอบเหล่านี้อาจส่งผลให้การสังเคราะห์ SAM ลดลงและการรบกวนกระบวนการ methylation
• โดยการปรับการทำงานของเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการ methylation (เช่น DNMT methyltransferase) ผ่านการบริโภคโพลีฟีนอลที่มีอยู่ในผลไม้ผักและเครื่องเทศ ตัวอย่างของสารประกอบดังกล่าว ได้แก่ เรสเวอราทรอลในไวน์แดง, epigallocatechin gallate (EGCG) ในชาเขียว, เคอร์คูมินในเหง้าขมิ้น, เจนิสไตน์ในถั่วเหลือง, ซัลโฟราเฟนในบร็อคโคลี, เควอซิตินในผลไม้รสเปรี้ยวและบัควีท

ผลของการรับประทานอาหารต่อ epigenome ในมดลูกได้รับการบันทึกโดยการทดลองที่มีชื่อเสียงเกี่ยวกับหนูทดลอง "agouti" ซึ่งมีลักษณะเป็นขนสีเหลืองและมีแนวโน้มที่จะเป็นโรคอ้วนเบาหวานและมะเร็ง

สีเหลืองของขนในหนูเหล่านี้เป็นตัวบ่งชี้ว่ามีเมธิเลชันของยีนไม่เพียงพอ

ในการทดลองหนู "อะกูติ" ที่ตั้งท้องได้รับอาหารที่มีผู้บริจาคเมธิลสูง กรดโฟลิกและโคลีน

ด้วยความประหลาดใจของนักวิทยาศาสตร์ลูกหลานของหนูเหล่านี้ไม่ได้มีลักษณะเหมือนพ่อแม่ของพวกมัน ลักษณะแรกที่สังเกตเห็นได้ชัดเจนคือการเปลี่ยนสีเสื้อเป็นสีน้ำตาล แต่สิ่งที่น่าประหลาดใจที่สุดคือหนูสูญเสียความโน้มเอียงไปสู่โรคที่พ่อแม่ของพวกเขาต้องทนทุกข์ทรมาน

เมื่อปรากฎว่านี่เป็นผลมาจากการปรับเปลี่ยนอาหารและการฟื้นฟู DNA methylation ตามปกติ

ข้อสังเกตเหล่านี้สนับสนุนความจริงที่ว่า epigenome สามารถเปลี่ยนแปลงได้โดยการรับประทานอาหารและอาจมีผลกระทบต่อสุขภาพในวงกว้าง

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาได้แสดงให้เห็นถึงบทบาทที่สำคัญของจุลินทรีย์ในลำไส้ในกระบวนการปรับเปลี่ยน epigenetic

จุลินทรีย์ในลำไส้ผลิตสารออกฤทธิ์ทางชีวภาพต่างๆเช่นกรดไขมันสายสั้นและปริมาณขึ้นอยู่กับองค์ประกอบสายพันธุ์ของไมโครไบโอต้าและคุณภาพของอาหาร

ผลิตภัณฑ์พรีไบโอติกที่มีปริมาณสูงในอาหารเช่นเส้นใยอาหารที่ละลายน้ำได้เช่นแป้งที่ทนจะเพิ่มความเข้มข้นของกรดไขมันสายสั้นซึ่งส่งผลในเชิงบวกต่อเยื่อบุผิวของเซลล์เยื่อบุผิวในลำไส้

Epigenetics - ความหลากหลายของยีน MTHFR

ประสิทธิภาพของการปรับเปลี่ยน epigenetic อาจได้รับอิทธิพลจากความหลากหลายทางพันธุกรรมเช่นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในจีโนมซึ่งเป็นผลมาจากการมียีนที่หลากหลายในประชากรมนุษย์

หนึ่งในผลที่ตามมาของความหลากหลายทางพันธุกรรมคืออื่น ๆ ทุกคนตอบสนองต่อสารอาหารที่แตกต่างกัน

ประมาณว่า 15-30% ของผู้คนอาจมีความต้องการผู้บริจาคเมทิลเพิ่มขึ้น (โดยเฉพาะกรดโฟลิก) เนื่องจากความหลากหลายของยีน MTHFR ที่ไม่เอื้ออำนวยซึ่งเข้ารหัสเอนไซม์ methylenetetrahydrofolate reductase

เอนไซม์นี้มีหน้าที่เปลี่ยนกรดโฟลิกให้อยู่ในรูปที่ออกฤทธิ์

คนที่มีความหลากหลายของยีน MTHFR ที่ไม่เอื้ออำนวยมีความบกพร่องในการเปลี่ยนรูปแบบของกรดโฟลิกที่ไม่ใช้งานไปเป็นรูปแบบ 5-methyltetrahydrofolate (5-MTHF) ที่ใช้งานอยู่ดังนั้นพวกเขาจึงมีความต้องการเพิ่มขึ้นสำหรับผู้บริจาคเมธิล

และแม้ว่าการวิจัยยังไม่ได้ยืนยันอย่างชัดเจนว่าคนดังกล่าวอาจลดเมธิเลชันของสายดีเอ็นเอได้ แต่ในกรณีของพวกเขาก็ควรให้ความสนใจกับปริมาณที่เพียงพอในอาหารหรือการเสริมเพิ่มเติมของผู้บริจาคกลุ่มเมทิลเช่นกรดโฟลิกหรือโคลีน

Epigenetics - ความเครียด

ฮอร์โมนความเครียดส่วนเกินและอื่น ๆ คอร์ติซอลอาจส่งผลต่อการปรับเปลี่ยน epigenetic ในระบบประสาทและเพิ่มความเสี่ยงต่อโรคจิตเวช

มีการบันทึกไว้ว่าคนที่เป็นโรควิตกกังวลโรคเครียดหลังบาดแผลโรคเครียดหลังบาดแผลและภาวะซึมเศร้ามีลักษณะการปรับเปลี่ยนลักษณะเฉพาะของ epigenetic (ส่วนใหญ่ลดการสร้าง DNA ของ DNA)

เชื่อกันว่า epigenome ดังกล่าวสร้างขึ้นจากประสบการณ์ที่กระทบกระเทือนจิตใจในวัยเด็กและ / หรือสถานการณ์เครียดเรื้อรัง

รายละเอียด epigenetic นี้จะคงอยู่ตลอดชีวิตและอาจส่งต่อไปยังลูก ๆ และหลาน ๆ (เรียกว่าการถ่ายทอดทางพันธุกรรมภายนอก)

Epigenetics - ผลกระทบต่อสุขภาพ

ข้อผิดพลาดระหว่างการปรับเปลี่ยน epigenetic เช่นการปิดเสียงการแสดงออกของยีนที่ไม่ถูกต้องอาจส่งผลร้ายแรงต่อการทำงานของร่างกายเช่นทำให้เกิดมะเร็ง

ยิ่งไปกว่านั้นการศึกษามากขึ้นระบุว่าการปรับเปลี่ยน epigenetic นอกเหนือจากการมีส่วนร่วมในกระบวนการทางสรีรวิทยาอาจมีส่วนร่วมในการพัฒนาของโรคเช่น:

• ออทิสติก
• โรคจิตเภท
• ภาวะซึมเศร้า
• โรคหัวใจและหลอดเลือด
• โรคเกี่ยวกับระบบประสาท
• โรคแพ้ภูมิตัวเอง
• โรคภูมิแพ้

โดยเฉพาะอย่างยิ่งความสัมพันธ์ระหว่างการปรับเปลี่ยน epigenetic อาหารและความเสี่ยงของโรคที่เฉพาะเจาะจงกำลังถูกค้นหา

แสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนแปลงของ epigenetic อย่างมีนัยสำคัญเกิดขึ้นในมดลูกซึ่งอาจมีผลในวัยผู้ใหญ่

ดังนั้นสิ่งที่แม่รับประทานระหว่างตั้งครรภ์อาจเพิ่มความเสี่ยงต่อโรคบางชนิดและส่งผลต่อคนรุ่นต่อไปด้วย

ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าลูกของแม่ที่ตั้งครรภ์ในช่วงฤดูหนาวที่หิวโหยในเนเธอร์แลนด์ในปี พ.ศ. 2487-2488 มีความเสี่ยงต่อโรคหัวใจและหลอดเลือดโรคอ้วนและโรคจิตเภทเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับลูกของแม่ที่ไม่ได้อดอาหาร

พบในเด็กของมารดาที่หิวโหยและอื่น ๆ ลด methylation ของยีนที่เข้ารหัสการเจริญเติบโตของอินซูลินเหมือนปัจจัย 2 (IGF2)

คุ้มค่าที่จะรู้

ความสำเร็จของ epigenetics ในปัจจุบันเป็นเรื่องของการวิจัยที่เข้มข้นในวิทยาศาสตร์ทางโภชนาการ แม้จะมีระเบียบวินัยใหม่ที่เกี่ยวข้องกับอิทธิพลของสารอาหารที่มีต่อการแสดงออกของยีนนั่นคือ Nutrigenomics

วรรณคดี

1. Moosavi A. และ Motevalizadeh A. บทบาทของ Epigenetics ในชีววิทยาและโรคของมนุษย์. อิหร่าน Biomed J. 2016, 20 (5), 246-258.
2. Choi S. W. และ Friso S. Epigenetics: สะพานใหม่ระหว่างโภชนาการและสุขภาพ Adv Nutr. 2010, 1 (1), 8-16.
3. Karabin K. ผลของอาหารที่มีต่อ epigenome ของมนุษย์หรือการเปลี่ยนแปลงของยีนในอาหาร Modern Dietetics 15/2018
4. Dmitrzak-Węglarz M. และ Hauser J. กลไก Epigenetic ในโรคทางจิตและความผิดปกติทางปัญญา จิตเวช 2552; 6, 2, 51–60
5. Poczęta M. et al. การดัดแปลง Epigenetic และการแสดงออกของยีนในเนื้องอก. แอน. Acad. Med. ไซล์ 2018.72, 80-89.
6. ดีใจ C. et al. การลดเมทิลเลชันของดีเอ็นเอและจิตพยาธิวิทยาที่ลดลงหลังจากเกิดภาวะ hypercortisolism จากภายนอกซึ่งเป็นการศึกษาทั่วทั้งจีโนม รายงานทางวิทยาศาสตร์ 2017, 7, 44445
7. Shin W. et al. การบริโภคโคลีนเกินคำแนะนำในการบริโภคอาหารในปัจจุบันจะรักษาเครื่องหมายของเมธิเลชันของเซลล์ในกลุ่มย่อยทางพันธุกรรมของโฟเลตที่ถูกบุกรุก J Nutr. พ.ศ. 2553, 140, 5, 975–980

เกี่ยวกับผู้แต่ง

Karolina Karabin, MD, PhD, นักชีววิทยาระดับโมเลกุล, นักวินิจฉัยในห้องปฏิบัติการ, Cambridge Diagnostics Polska นักชีววิทยาที่มีความเชี่ยวชาญด้านจุลชีววิทยาและนักวินิจฉัยในห้องปฏิบัติการที่มีประสบการณ์มากกว่า 10 ปีในการทำงานในห้องปฏิบัติการ จบการศึกษาจากคณะแพทยศาสตร์ระดับโมเลกุลและเป็นสมาชิกของ Polish Society of Human Genetics หัวหน้าทุนวิจัยที่ห้องปฏิบัติการการวินิจฉัยระดับโมเลกุลที่ภาควิชาโลหิตวิทยามะเร็งวิทยาและโรคภายในของมหาวิทยาลัยการแพทย์แห่งวอร์ซอว์ เธอปกป้องตำแหน่งแพทย์ด้านวิทยาศาสตร์การแพทย์ในสาขาชีววิทยาการแพทย์ที่ 1 คณะแพทยศาสตร์แห่งมหาวิทยาลัยการแพทย์แห่งวอร์ซอ ผู้เขียนผลงานทางวิทยาศาสตร์และวิทยาศาสตร์ยอดนิยมมากมายในสาขาการวินิจฉัยในห้องปฏิบัติการอณูชีววิทยาและโภชนาการ ในแต่ละวันในฐานะผู้เชี่ยวชาญในสาขาการวินิจฉัยทางห้องปฏิบัติการเขาดำเนินการแผนกสำคัญที่ Cambridge Diagnostics Polska และร่วมมือกับทีมนักโภชนาการที่ CD Dietary Clinic เขาแบ่งปันความรู้เชิงปฏิบัติเกี่ยวกับการวินิจฉัยโรคและการรักษาโรคด้วยอาหารกับผู้เชี่ยวชาญในการประชุมการฝึกอบรมและในนิตยสารและเว็บไซต์ เธอสนใจเป็นพิเศษเกี่ยวกับอิทธิพลของวิถีชีวิตสมัยใหม่ที่มีต่อกระบวนการทางโมเลกุลในร่างกาย

อ่านข้อความอื่น ๆ ของผู้เขียนคนนี้