Мы — то, что мы едим. Как еда меняет наш эпигеном

Мы завтракаем, обедаем, ужинаем. Перекусываем на ходу бесчисленное количество раз и совершенно не замечаем, как эти банальные (но часто приятные) приемы пищи понемногу определяют, как наши организмы будут использовать инструкции, скрытые в геномах. Татьяна Татаринова, профессор Университета Южной Калифорнии, помогла разобраться, как именно еда влияет на эпигеном человека.

Природа полна случайностей и несправедливостей — взять хоть самых обыкновенных пчел. От рождения все их личинки практически идентичны и обладают одинаковыми генами, с которыми можно прекрасно развиться в пчеломатку. Вот только у большинства пчел фермент DNMT3A постепенно блокирует все королевские гены, и они превращаются в скучных рабочих-обывателей. Другим везет куда больше (или меньше?): выбранные слепой судьбой на роль будущих пчеломаток эти особи получают не обычную еду, а маточное молочко — высококачественную питательную смесь, активные вещества которой «выключают» DNMT3A и разблокируют королевские гены.

Эта история с пчелами, наверное, самый яркий пример влияния еды на функции живого организма через его эпигеном — совокупность обратимых химических модификаций структуры ДНК, не затрагивающих саму наследственную информацию, но зато определяющих, какие именно из множества инструкций по сборке организма нужно применять в разных условиях и в разные моменты времени.

Эпигенетика решает, какие гены нужно активировать, а какие — подавить, тем самым помогая клеткам-близнецам с идентичными геномами образовывать самые разные органы и ткани.

Эпигенетических механизмов контроля генов у клетки много. Большинство из них завязано на регулировании интенсивности транскрипции — процесса, в котором на матрице ДНК синтезируется РНК. К примеру, упомянутая ДНК-метилтрансфераза DNMT3A подавляет промоторные участки, с которых обычно начинается транскрипция каждого гена. Для этого она «навешивает» на эти участки метильные группы — после этого проводящим транскрипцию белковым комплексам становится гораздо сложнее подобраться к ДНК, и в результате синтез РНК по этим прометилированным генам замедляется или прекращается вовсе.

Топливо для метилирования

«Метилирование — самый изученный механизм влияния пищи на эпигеном, — рассказывает профессор Татьяна Татаринова. — Те же метильные группы -СН3, конечно, не возникают в организме из ниоткуда, и поэтому клеточный процесс по их производству из различного сырья очень важен для поддержания процесса эпигенетического регулирования».

Один из самых важных игроков в цепочке производства метильных групп — это витамин B9, или фолиевая кислота, о которой наверняка слышали не только все беременные женщины, но и люди в радиусе двух-трех рукопожатий от них. В момент зачатия и в первые месяцы беременности дефицит фолиевой кислоты может привести к выкидышам, преждевременным родам и серьезным патологиям нервной системы ребенка. В то же время 10% людей на Земле обладают генами, осложняющими получение фолиевой кислоты из обычной пищи (значительные количества B9 содержатся в цитрусовых и разнообразной зелени). Поэтому сейчас этот витамин назначают в качестве необходимой добавки практически всем будущим мамам.

Детальный механизм работы фолиевой кислоты во время беременности пока непонятен, но есть указания, что он завязан в том числе и на эпигеномике.

К примеру, есть работы, показывающие, что при достаточном количестве B9 усиливается метилирование гена IGF2 (инсулиноподобного фактора роста 2), регулирующего рост и развитие плода. Однако экспериментировать с диетой беременных неэтично, и поэтому в поисках более глубоких объяснений и надежных свидетельств ученые обращаются к грызунам. Так, в одном эксперименте исследовали беременных мышей с мутантным фенотипом «хвост завитком», предрасполагающим к дефектам у их потомства.

Изогнутость хвоста мышей зависит от эпигенетики. Сверху — мышь с мутантным фенотипом «хвост завитком», снизу — обычная мышь. Изображение: PLoS Biology

В исследовании было две группы мышей-мутантов. Одна получала обычный корм, а другая — пищу, обогащенную фолиевой кислотой и другими источниками метильных групп. В результате в первой группе мыши-мамы обзавелись болезненным потомством с дефектами нервной трубки, а у счастливиц из второй группы родились здоровые мышата. По-видимому, мутантный ген, вызывающий болезненные отклонения от нормы, был прометилирован и выключен у зародышей грызунов еще во время внутриутробного развития.

Еще один биологически значимый элемент, тесно связанный с эпигеномикой, — витамин B12, участвующий не только в углеводном метаболизме и переносе водорода, но и в процессах метилирования, и в синтезе метионина. В норме витамин B12 поступает к нам с пищей — больше всего его содержится в рыбе, морепродуктах и мясе. Именно поэтому вегетарианский рацион может привести к серьезным проблемам со здоровьем, в том числе сопряженным с гипометилированием (недостаточном метилированием) генов, и даже к развитию онкозаболеваний.
Поэтому вегетарианцам рекомендуют восполнять недостачу B12 если не с помощью биологически активных добавок, то хотя бы обильными порциями морской капусты, сои, хмеля и других растительных продуктов, сравнительно богатых этим витамином. Почти 60% мясоненавистников нуждаются в добавлении витамина B12, в особенности это относится к пожилым и беременным.

Однако, как это всегда бывает в вопросах диеты и питания, есть и противоположные мнения. «Не имеет смысла бездумно увлекаться витамином B12 и наедаться им до отвала, — говорит Татаринова. — У многих больных раком уровень витамина В12, к примеру, наоборот повышен. Более того, есть некоторые косвенные данные, что переедание фолиевой кислоты, B12 или других рекомендованных добавок может спровоцировать рост уже имеющихся, но не диагностированных опухолей. Это происходит потому, что рак может быть сопряжен как и с гипометилированием онкогенов, в норме пребывающих в здоровой клетке в малоактивном состоянии, так и с гиперметилированием генов, сдерживающих развитие опухоли».

Кроме того, одно из более поздних исследований не нашло никакой связи между дефицитом B12 и изменением метилирования генов. Такие противоречия внутри нутригеномики даже самого простого эпигенетического механизма — вполне обычная ситуация для молодой области, пытающейся разобраться в хитросплетениях питательных веществ, циклов и генов нашего организма, вынужденного всю жизнь не только подпитываться энергией от несовершенной и противоречивой пищи извне, но еще и постоянно мучиться, что делает он это совершенно неправильно. Ест не вовремя, не столько, сколько нужно, да и вообще совершенно не то.

Диета по эпигеному?

Еще одно эпигенетическое изменение, которое может запускаться пищей, — это различные модификации гистонов, объемных белковых молекул-катушек, на которые наматываются нити ДНК внутри хромосом. Немного изменив химическое строение гистонов, можно перестроить пространственную структуру ДНК и ее укладку внутри хромосом, к примеру облегчая ее разматывание с гистонной катушки при транскрипции.

Исследования показали, что ацетилирование гистонов (это одна из самых распространенных эпигенетических модификаций гистонов — присоединение к ним ацетильных групп, в результате которого улучшается транскрипция) может увеличиваться в присутствии изотиоцианатов, органических веществ, содержащихся в брокколи, капусте и других крестоцветных растениях.

Ученые уже распутали десятки подобных сюжетов с хитрым влиянием разных нутриентов и продуктов питания на эпигенетику и даже искушают персональными диетами с рационом, подобранным по эпигеному. Но на практике эти данные пока слишком разрозненны и противоречивы, чтобы улучшать здоровье.

«Индивидуализированные диеты, конечно, нужны, — говорит Татаринова. — Нередко они помогают избавиться от множества проблем — начиная от метеоризма и заканчивая мигренью, или даже сдержать развитие опухоли. Но хороший подбор диеты по эпигеному — это пока фантастика».

Да и вообще, любая строгая несбалансированная диета — это крайность, которая может привести к нарушениям, даже несмотря на то, что в человеческом организме есть гибкая и устойчивая саморегуляция.

«Поэтому я считаю, что самая лучшая диета для человека — это предковая. Вот ели наши предки в средней полосе России какую-то еду, выжили на ней, оставили здоровое потомство, значит, и для нас, скорее всего, этот рацион будет хорош».

К примеру, в США очень много китайцев и японцев во втором поколении, страдающих ожирением. Диета их предков была богата морепродуктами и овощами, но, приехав в Америку, эти этнические японцы и китайцы быстро «американизировались» — перешли на непривычные их организму бургеры и чипсы и в результате приобрели приятные округлые формы. В то же время шотландцы, которые из поколения в поколение едят жирный хаггис, остаются вполне худыми и здоровыми даже после перехода на бургеры.

Хаггис — национальное шотландское блюдо из бараньих потрохов, сваренных в бараньем желудке. Фото: Chris Brown / Flickr

С другой стороны, наш ежедневный рацион если не полностью, то в большой степени сформированный пищевыми привычками наших далеких предков, может, в свою очередь, повлиять на вкусы наших потомков. Некоторые эпигенетические изменения не только наследуются от родителей к детям, но и со временем способны закрепиться в популяции в качестве отобранных селекцией генных вариантов.

«Под действием пищевых привычек геном изменяется очень медленно: обычно на это уходит 150—400 поколений, — говорит Татаринова. — Если пофантазировать, как западноевропейская и американская пищевая культура повлияет на наших потомков, мы придем к выводу, что у них, скорее всего, закрепится адаптация к высококалорийной процессированной еде, точно так же, как у масаи постепенно закрепилась адаптация к диете, богатой жирами. Потомки современных европейцев смогут фастфуд на лету переваривать и совершенно не толстеть. Но, правда, я все-таки надеюсь, что мы не будем еще 150 поколений есть некачественный фастфуд. Ну, или хотя бы будем меньше есть, чем сейчас. Это я вам говорю как убежденный вегетарианец и сторонник здорового образа со стажем в 35 лет!»

Автор: Михаил Петров
Источник: nauka.tass.ru