Търсене
  • Momchil Kolev

Наясно ли са хората какво става в организма им – кой, как и кога ги защитава?

Защита на човешкия геном

Представете си своята ДНК(дезоксирибонуклеинова киселина) като ваш личен генетичен план – усукан като вита стълба (наречена двойна спирала) и толкова миниатюрен, че да влезе в една клетка. Преди около година, от български учени бе установено, че между двойната спирала на ДНК има и трета информационна нишка, явяваща се нов носител на информация. Тази ДНК стълба е изградена от гените, които сте наследили от вашите родители, в едно с придобитите мутации по време на съзнателния живот на човека. Едно от условията, за да бъдете живи и способни да функционирате нормално се явявагенетичния код заложен в тази стълба, от който зависи всеки аспект на вашето здраве. Но, също така ДНК на всеки човек е много крехка и е обект на ожесточени атаки през целия ни живот.

1. Всеки 24 часа, ДНК-то на всеки от нас получава по естествен път над десет хиляди повреди. {В. N. Ames, М. К. Shigenaga, and Т. М. Hagen, “Oxidants, Antioxidants, and the Degenerative Diseases of Aging”, Proceedings of the National Academy of Sciences USA 90, no. 17 (1993): 7915-7922.}

2. Някои от тези повреди са спонтанни разкъсвания, които възникват по случайност, докато Вашите трилионите клетки работят и се делят без прекъсване ден след ден.

3. Други грешки (повреди) са странични ефекти от някакъв разрушителен процес в тялото – например възпаление или инфекция.

4. Следващите грешки са причинени от токсични вещества, които вдишваме чрез въздуха, поглъщаме с храната или поемаме през кожата от битовата химия или други източници в околната среда.

Независимо как се е получила, всяка грешка е способна да извади от строя нашата ДНК и да съсипе здравето ни.

Като се имат предвид тези ежедневни атаки срещу нашата ДНК, изниква въпросът как не се разболяваме по-често, защо ли по-често не се получават мутации или не се развива смъртоносен рак. Това е факт, но малко хора знаят и осъзнават, че нашата ДНК кодира механизъм, за да пази самата себе си и така да пази и нашето здраве от последствията на тези атаки.

Голяма част от това, което узнаваме за ДНК, засяга родословието ни. При генетичния скрининг има обаче сериозни постижения, които помагат да се открие вашият личен риск от наследствени ракови заболявания и други болести. Геномното тестване върши работа и при избирането на конкретна онкологична терапия в новата ера на персонализираната медицина. Съществуват иновативни технологии, които се използват за корекции в ДНК и заместване на дефектните гени със здрави. Една от най-забележителните истории за ДНК обаче е тази, как нашата ДНК действа като една от защитните ни системи.

Когато нашата ДНК е увредена, без значение каква е причината, може да възникнат грешки или повреди при изпълнението на генетичните инструкции в тялото ни. Когато мутациите в нашите гени се наследят, резултатът може да е поява на тежки заболявания. С напредването на възрастта нашата ДНК се износва. Изборите, които правим през годините:

- къде живеем;

- какво ядем и пием;

- какъв е начинът ни на живот,

или подпомагат или увреждат нашата ДНК.

Предпазването на нашата ДНК е от решаващо значение, ако искаме да бъдем здрави.

Когато човешкият генетичен код работи идеално, ние сме здрави. Когато той се повреди или мутира, здравето ни е заплашено.

Нашата ДНК използва различни механизми, за да предпази самата себе си. Клетките ни са развили мощни механизми за поправка на ДНК, които постоянно я проверяват за структурни дефекти.

1. Молекулите, отговорни за поправката преглеждат множеството кодиращи информация ДНК последователности и ако има такъв дефект, го засичат. Увредените ДНК участъци в клетките ни се изрязват със специални молекулни ножици и се заместват с ДНК участъци с правилната последователност и структура. Така преобладаващата част от дефектите, които могат да възникнат в нашата ДНК, се премахват и се предотвратява предаването им по-нататък при раздвояването на ДНК.

2. Друг начин, по който работи системата ни за защита на ДНК е чрез т.нар. епигенетична промяна. Тя дава възможност на ДНК да реагира на влиянията на средата и на начина ни на живот. Същото се отнася и за храната, като усилва ефекта на полезните гени и блокира онези с разрушително действие. Това прави някои гени повече или по-малко достъпни в зависимост от обстоятелствата, като за всеки от нас е индивидуално и различно.

3. Теломерите са друго важно средство за предпазване на ДНК. Теломерите, които можем да оприличим с краищата на връзките за обувки, се намират на двата края на вашите хромозоми. Те предпазват вашата ДНК от износването, което идва с напредването на възрастта. Пълноценното хранене, качественият сън, редовната физическа активност и други здравословни навици могат да защитят вашите теломери.

Храната е важна за добрата работа на тези системи за защита на ДНК отбранителната ни система. Впоследствие ще ви разкажем подробно за кои храни е установено, че подпомагат поправката на ДНК, кои причиняват полезни за здравето ни епигенетични промени и кои предпазват и дори укрепват теломерите. Заедно със съвременния прогрес относно генетичните тестове, генните корекции и генната терапия, учените започнаха да разкодират как хранителният режим влияе върху нашата система за защита на ДНК.

За да видим колко далече сме стигнали и да разберем ролята на храната, е добре да хвърлим един бърз поглед назад към историята на проучванията на ДНК.

Малко история за ДНК

За да видим колко далече сме стигнали и да разберем ролята на храната, е добре да хвърлим един бърз поглед назад към историята на проучванията на ДНК. В интернет се пишат какви ли не публикации относно ДНК, които частично не отговарят на истината. Тук ще се опитаме да ви представим малко по-различна и може би по-подробна история за дезоксирибонуклеинова киселина (ДНК).

Днес дори децата в основното училище учат за ДНК, но ние знаем за ДНК едва от около 150 години, а кодът ѝ е разгадан през последните петдесет години. Изучаването на наследствеността води своето начало от един учен августинец от град Бърно в Моравия (днес в Чехия). Той се казвал Грегор Мендел. Мендел забелязал, че грахът, растящ в градината, можел да се кръстосва в различни комбинации, при което се получавало потомство с определени белези, например семена с определени цвят и форма. През 1866 г. той публикувал своето проучване, показващо, че белезите на родителите се предават на бъдещото поколение по определени правила. {“Deciphering the Genetic Code”, Office ofNIH History, https://history.nih.gov/exhibits/nirenberg/ HS l_mendel.htm.} Тези правила, били наречени Закони на Мендел. Мендел предположил също, че някакви невидими фактори (т.е. гените) носят информацията, определяща белезите на всеки организъм.

Първите конкретни физически доказателства за ДНК били получени през 1869 г. от Фридрих Мишер, лекар, провеждащ изследвания в Тюбинген, Германия. Мишер изследвал гнойта от рани, останала по бинтовете на ранени в Кримската война войници. Така открил странно вещество, което според него идвало от ядрата на клетките. Нарекъл го нуклеин. Дванайсет години по- късно, през 1881 г., германският биохимик Албрехт Косел, бивш преподавател на Мишер, решил, че си заслужава да се направят по-задълбочени изследвания. {R. Dahm, “Friedrich Miescher and the Discovery of DNA”, Developmental Biology 278, no. 2 (2005): 274-288.}

Косел открил, че нуклеинът се състои от дезоксирибонуклеинова киселина, и създал термина ДНК. През 1910 г. това откритие му спечелило първата от няколкото Нобелови награди, присъдени за изследвания на ДНК.

Истинската природа на ДНК обаче останала загадка през следващите седемдесет и една години. Тогава през 1952 г. Розалинд Франклин, работейки в Кралския колеж в Лондон, направила на ДНК първите снимки с висока резолюция. Ръководени от тези изображения, Джеймс Уотсън и Франсис Крик разкрили структурата на ДНК на следващата година в Кеймбриджкия университет, разбивайки успешно „кода на живота" за което през 1962 г. получили втората награда, дадена за проучвания върху ДНК. След това десетки хиляди учени се втурнали да изследват ДНК, за да разкрият тайните на генетичния код, който ни прави човеци.

През 1990 г. започва един от най-амбициозните научни проекти в човешката история: Проектът „Човешки геном".

Целта на тази мащабна инициатива) участват над двайсет университета от САЩ, Франция, Германия, Испания, Обединеното кралство, Китай, Япония, както и Националните институти по здравеопазване, и частна компания на име „Селера Дженомикс“. Целта е да се установи и картографира всеки ген в човешкото тяло. На 14 април 2003 г., две години по-рано от петнайсетгодишния краен срок, американското правителство обявява официално, че целият човешки геном е разчетен. Това епохално постижение бе направено под ръководството на двамата учени новатори - Франсис Колинс и Джон Крейг Вентър. {“International Consortium Completes Human Genome Project” National Human Genome Research Institute, Apr. 14, 2003, https://www.genome.gov/11006929/2003-release-international- consortium-completes-hgp.}

Оттогава е разгадана пълната последователност на генома и на други организми, сред които шимпанзета, кучета, мишки и дори жаби.

Науката за ДНК

Генетичният код е написан с четири основни нуклеотида (бази) – аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Стъпалата в двойно спиралната стълба са от различни комбинации двойки от тези букви (A-Т И Ц-Г). Последователността от такива двойки, която кодира инструкции за изграждане на един белтък, се нарича ген и може да се оприличи на група от стъпала на тази спирална стълба. Вашите гени носят инструкциите, необходими за направата на десетте хиляди белтъка, от които се нуждае вашето тяло, за да живее.

Впечатляващо е, че всяка клетка във вашето тяло знае как да прочете този генетичен код. Клетките използват кода, като го свалят в специална клетъчна структура (матрица), която, подобно на миниатюрен 3D принтер, произвежда белтъци въз основа на кода. Производството на тези белтъци става зад кулисите, безшумно, всяка една секунда от живота ви – от мига на зачеването ви до мига на вашата смърт. Когато чуете термина „човешки геном“ се има предвид пълната колекция от гени, изградени от ДНК, които са нужни за кодирането на всичко необходимо за вашето тяло в хода на живота ви.

Преди да обясним как следва да се поддържа здрав геномът, първо помислете за необозримо голямото количество ДНК в тялото ви. Всяка клетка съдържа около 1,8 метра ДНК, навита в спирални пакети, наречени хромозоми, от които всяка клетка има четиридесет и шест в ядрото си (двайсет и три идват от майката, а другите двайсет и три - от бащата). Ако извадите и опънете ДНК спиралите от всички клетки в тялото (които в момента се смята, че са 37,2 трилиона на брой при човек с тегло 50-55 кг) и ги подредите една след друга в една линия, ще получите генетична свръхмагистрала с дължина от 68 милиарда километра. {Eva Bianconi et al., “An Estimation of the Number of Cells in the Human Body”, Annals of Human Biology 40, no. 6 (2013).} Това е разстоянието от Земята до Плутон, умножено по десет! А най-интересното е, че само 3% от тази ДНК свръхмагистрала, всъщност изграждат нашите гени. Останалите 97% от ДНК действат като координатор и показват на организма ни как да използва собствените си гени.

Точно както на силно натоварено летище обучените и опитни авиодиспечери осигуряват безопасното излитане и кацане на самолетите. Така и точността във функционирането на ДНК е жизненоважна. Грешките (повредите) могат да имат смъртоносни последици. Когато генетичният код е увреден, 3D принтерите във вашите клетки могат да произведат прекомерно много вреден белтък или твърде малко полезен. Дори да произведат неправилния белтък или пък някакъв дефектен. Тези грешки могат да имат ужасни последици, така както погрешните указания на авиодиспечера могат да доведат до опасни ситуации, леки инциденти или ужасна катастрофа, в която самолетът се разбива и всички на борда му загиват.


Съществува ли опасност от увреждане на ДНК-то ни?

За съжаление, нашият свят е наистина опасно място за ДНК. Много външни фактори я застрашават и могат да я разстроят или увредят. Въпреки, че много от опасностите са резултат от промишлеността, бита и социалния ни живот, не всички заплахи са дело на човека.

Всъщност един от най-вредните за ДНК фактори е ултравиолетовото лъчение, т.е. слънчевата светлина.

Сигурно не винаги ли си слагате слънцезащитен крем, когато излизате навън?

Учените са установили, че вредните ултравиолетови слънчеви лъчи, които проникват през кожата ни, са способни да причинят 100 000 увреди в ДНК на всеки един час, в който стоим на слънце без слънцезащитен крем. {Stephen P. Jackson andjiri Bartek, “The DNA-Damage Response in Human Biology and Disease” Nature 461, no. 7267 (2009): 1071-1078.}

Но, и когато се приберем след плажа, това не значи, че е приключила атаката върху вашата ДНК. Учени от Иейлския университет са установили, че увреждането продължава дори след като се спре излагането на слънце. Меланинът, пигментът в кожата, от който се прави тен и който поглъща лъчите, всъщност натрупва енергия чрез процес, наречен химично възбуждане. Натрупаната енергия се освобождава, когато сте на затворено, и продължава да причинява мутационни увреждания на ДНК в кожните клетки дори три часа, след като вече не сте на слънце и се разхлаждате вътре в закрити помещения. {S. Premi et al., “Photochemistry: Chemiexcitation of Melanin Derivatives Induces DNA Photoprod¬ucts Long after UV Exposure”, Science 347, no. 6224 (2015): 842-847.}

Правенето на тен на плажа е вредно за здравето, разбира се, но има и други коварни начини, въз основа на които вашата ДНК се уврежда от слънцето. Ако някога сте засядали в задръстване, отивайки сутрин на работа, и слънцето е пекло през предното стъкло на колата, ултравиолетовите лъчи са увреждали вашата ДНК по време на цялото Ви пътуване. Още по-невидимо е това, което става, докато летите със самолет. Слагате ли си слънцезащитен крем, когато летите със самолет? Би трябвало! Проучване, проведено през 2015 г. в Калифорнийския университет в Сан Франциско и публикувано в раздел „Дерматология" на „Журнал на Американската медицинска асоциация", показва, че летците, които управляват самолет един час на височина 10 километра, през стъклото на пилотската кабина получават същото количество ултравиолетови лъчи, което биха получили за двайсет минути в солариум. {M. Sanlorenzo et al., “The Risk of Melanoma in Pilots and Cabin Crew: UV Measurements in Flying Airplanes”, JAMA Dermatology 151, no. 4 (2015): 450-452.} Противно на очакванията ни, при облачно време нещата са дори още по-лоши. Облаците отразяват радиацията към пътниците и летците на борда, увеличавайки риска от ДНК увреди и кожен рак.

Слънцето обаче не е единствената заплаха. Вредно лъчение идва и от земята. То е под формата на радон – природен газ без мирис, който влиза в домовете ни (основно до трети-пети етаж) през мазетата по водопроводните тръби и подземните кабели. Различните части на Земята излъчват различни нива на радон и този невидим нашественик уврежда ДНК ни. Всъщност радонът е причина номер едно за рак на белите дробове при непушачи. {“Health Risk of Radon”, U.S. Environmental Protection Agency, https: //www.epa.gov/ radon/health- risk-radon.} Ако пушите (препоръчително не бива да го правите), радонът, който вдишвате у дома, усилва риска от рак на белите дробове, който се причинява от цигарите.

Цигареният дим и сам по себе си е токсичен за ДНК. Чрез него се вдишват около четири хиляди вещества, от които за седемдесет е доказано, че са канцерогенни. Те включват бензен, арсен и формалдехид. {“Carcinogens in Tobacco Smoke”, Government of Canada, https://www.canada.ca/en/health-canada/ services/publications/healthy-living/carcinogens-tobacco-smoke.html.} Тези химикали причиняват възпаление в цялото тяло. Дори и да не сте пушач, лошата новина е, че пасивното пушене е също толкова вредно за ДНК на неподозиращите приятели, близки, колеги и дори домашни любимци на пушачите.

Разтворителите, които се изпаряват от килими, от нови коли или се съдържат в битовата химия и всекидневни продукти като лакочистители, шампоани и бои, също увреждат ДНК. Ако карате кола на бензин, докато пълните резервоара, вдишвате изпарения, съдържащи бензен, който уврежда ДНК. {P. Mikes et al., “3-(3,4-Dihydroxyphenyl)adenine, a Urinary DNA Adduct Formed in Mice Exposed to High Concentrations of Benzene”, Journal of Applied Toxicology 33, no. 6 (2013): 516-520.} Разумно е да стоите откъм вятъра, докато сте на бензиностанцията.

Научните изследвания показват, че тези токсични въздействия, които увреждат ДНК, могат да се отразят дори на бъдещите поколения. Например ДНК в сперматозоидите на бащата може да бъде увредена от токсични вещества като бисфенол А до бисфенол Е (използват се при производството на пластмаси), диетилфталат (използва се за направата на светещи пръчки) и кадмий (намира се в керамичната глеч и цигарения дим). Контактът с тези вещества променя гените в сперматозоидите по епигенетични механизми и промените може да се предадат на поколението на мъжа. {M. S. Estill and S. A. Krawetz, “The Epigenetic Consequences of Paternal Exposure to Environmental Contaminants and Reproductive Toxicants”, Current Environmental Health Reports 3, no. 3 (2016): 202-213.} По същия начин вредни химикали като бензена (в петрола), перхлоретилена (използван в химическото чистене) и цигареният дим, ако на тях е изложена бременна жена, могат да оставят своите следи върху ДНК на плода, които ще се запазят през целия живот на детето. {R. H. Waring, R. M. Harris, and S. C. Mitchell, “In Utero Exposure to Carcinogens: Epigenetics, Developmental Disruption, and Consequences in Later Life”, Maturitas 86 (2016): 59-63.}

Увреждането на ДНК може да ви разболее и дори да ви убие. ДНК обаче има една основна директива: да се предава възможно най-незасегната от поколение на поколение. За да осигури изпълнението на тази задача, ДНК има защитни механизми, чрез които се противопоставя на вредните въздействия. Нека разгледаме тези механизми, защото впоследствие ще видим как те могат да бъдат подсилени с храната, която ядем.


Първата защита на ДНК: нейната поправка

КОЛИЧЕСТВОТО УВРЕДИ, които настъпват всекидневно в нашата ДНК, е стъписващо, но тя кодира механизми за поправка на повечето увреди, преди те да са станали сериозен проблем. Смята се, че благодарение на поправящите ДНК ензими, по-малко от една на хиляди грешки, засегнали ДНК, стават трайни мутации. Тези ензими изпълняват интересен роля на молекулно ниво, когато се впускат в работа. Те са перфектно проектирани да поправят уникалната структура на ДНК.

Спомнете си, че във всяка нишка нормална ДНК всяко „стъпало" на усуканата стълба на двойната спирала съдържа две молекули. Сдвояването на тези молекули става по строго правило, Аденинът (А) винаги се свърза с тимина (Т). Цитозинът (Ц) винаги се свързва с гуанина (Г). Това се нарича сдвояване на базите. Някои често срещани форми на повреда на ДНК засягат тези сдвоявания. Около сто пъти на ден във всяка клетка цитозинът (Ц) спонтанно се превръща в друга химична съставка, създавайки сдвоявания, които не следват правилата. Излагането на слънце пък може да накара две тиминови (Т) молекули да се свържат една с друга, създавайки абнормални химични „съединени близнаци“, които не могат да функционират нормално. Свободните радикали също могат тежко да увредят ДНК. Тези природни вещества съдържат силно нестабилен кислороден атом, който може да освободи енергията си в своето обкръжение като химическа граната, увреждайки нормалните двойки в ДНК.

Вашите клетки съдържат ензими, които могат да засекат и поправят такъв тип щети. Ензимите се хвърлят в действие, когато видят отклонения от обичайната структура на двойната спирала на ДНК, Когато се открият липсващи или увредени участъци от ДНК, те се заместват с нормални части. Подобно на шивач, който закърпва скъсана дреха, поправящите ензими намират съответстващия материал и го пришиват възможно най-гладко. Съответстващият материал, използван при поправката на ДНК, се извлича от нуклеотиди А, Т, Ц или Г, които се слагат на правилните им места в двойната спирала.

Научни и клинични изследвания показват, че яденето на определени храни може да намали увреждането на ДНК, като или увеличава скоростта и ефективността на поправката след повреда, или предотвратява самите повреди. Разпространено е мнението, че антиоксидантите предпазват ДНК, и техните ползи се рекламират масово от бранша на хранителните добавки. Да, антиоксидантите могат да помогнат за предотвратяване на увреждането чрез неутрализиране на свободните радикали в кръвта ни, но не могат да помогнат, след като ДНК вече е увредена. Тогава вече са необходими механизми за поправка на ДНК. Впоследствие ще разгледаме храните, които предпазват и поправят ДНК, както й някои нови начини за използване на антиоксиданти за защита на здравето.

Когато се включи системата за поправка на ДНК, клетката знае, че трябва да ограничи разпространяването на щетите. Затова тя спира процеса на репликация, чрез който клетките удвояват своята ДНК, за да се удвоят после и самите те. Така е по-малко вероятно повредената ДНК да бъде предадена. Ако има твърде много щети и поправката е невъзможна, клетката може да активира своята собствена смърт чрез процес, наречен апоптоза – специална саморазрушителна програма, която води до смърт на клетката, когато тя вече не е в състояние да изпълнява своята функция в тялото.

Заслужава си да споменем, че биотехнологичните компании изучават процесите на защита на ДНК при бактериите, за да разработят нови генетични лечения за множество болести при хора, растения и дори насекоми. Въпросният механизъм се нарича е CRISPR (произнася се „криспър"), което е съкращение от clustered regularly interspaced short palindromic repeats. CRISPR се среща при около 50% от бактериите и служи да отстранява чрез изрязване проникнала чужда ДНК като част от собствената отбранителна система на бактериите. Учените са открили, че този механизъм за рязане може да бъде приспособен за „редактиране" на човешки гени – с други думи, може хирургически да се изрежат проблемните гени, за да се премахне тяхното вредно действие, и на тяхно място по биотехнологичен път да се поставят здрави гени. Когато през 2012 г. за пръв път бе публикувана системата CRISPR, тя веднага промени приложната генетика, защото е много по-точна, адаптивна и бърза от всяка друга известна система за генетична модификация. Очакваното приложение на CRISPR за лечение на човешките болести все още е далече, но системата вече се използва като мощен инструмент в генното инженерство. {“What Are Genome Editing and CRISPR-Cas9?” Genetics Home Reference, U.S. National Library of Medicine, https: //ghr.nlm.nih.gov/primer/genomicresearch/genomeediting.}

Втората защита на ДНК: епигенетичната промяна

ПРОТИВНО НА ОБЩОПРИЕТОТО схващане, вашата генетична съдба не е фиксирана при раждането. Точно обратното. Докато самият ви ДНК код не се променя, определени гени може да се включват или изключват в резултат на влиянието на околната среда. Например какво дишате, докосвате и ядете през живота си. На тази основа има още един начин, по който ДНК може да защитава здравето ви: епигенетиката. Гръцката представка epi означава на или над, или близко и тук става дума за тези фактори на средата, които влияят върху генната експресия, т.е. колко активно генът произвежда кодирания белтък.

Епигенетика отговаря на въпроса, как така всички клетки в нашето тяло имат една и съща ДНК, но спадат към много различни типове и изпълняват различни функции. Всеки орган се отличава със своята тъканна среда, заобикаляща клетките. Например клетките на сърцето експресират гени, позволяващи им да генерират електрически ток, който създава туптенето на сърцето и помпи кръв към тялото. Гените в сърцето са повлияни от микросредата около клетките на сърцето. Клетките в човешката ретина, която е разположена в задната част на окото, използват своята ДНК за производството на белтъци, които разпознават светлината и изпращат сигнал, който нашият мозък възприема като образ. Клетките на ретината се ръководят от своето непосредствено обкръжение, както и от влиянието на самата светлина. Забележителното е, че и клетките на сърцето, и клетките на ретината използват един и същи генетичен код, но частите, които използват, са различни и това се определя от тяхната органна среда и от това какво трябва да извърши ДНК.

Епигенетичната експресия не е фиксирана дори в рамките на един орган. Вашата ДНК отговаря на въздействия, идващи отвън и от самото ви тяло, в зависимост от обстоятелствата. Стресът, умственото съсредоточаване, сънят, физическата активност и бременността са само някои от вътрешните обстоятелства, които оказват епигенетично въздействие. Някои от външните влияния, които могат, за добро или зло, да доведат до епигенетична промяна в дейността на вашата ДНК, са храната, която ядете, и напитките, които пиете. Биоактивните вещества, които се намират в храните с растителен произход и в чая и кафето, могат да окажат положителен епигенетичен ефект върху вашата ДНК. Химикалите, които се съдържат в силно обработените храни, също могат да повлияят на вашата ДНК, но негативно. Благодарение на епигенетиката полезните гени могат да усилят действието си, а вредните – да бъдат блокирани.

Видове епигенетични промени

ДИЕТА И ОКОЛНАТА среда могат да причинят епигенетична промяна, но трудного е да се разбере как става това. Два вида епигенетични промени са метилирането на ДНК и модифицирането на хистоновите белтъци. Чрез тези механизми ДНК пази здравето ни, като в отговор на някакъв стимул активира правилните гени или деактивира неправилните. Нека първо видим какво е метилирането.

Припомнете си описанието на двойноспиралната стълба: двата успоредни парапета са „скелетът“ на ДНК, докато свързващите ги „стъпала“ са направени от двойки А-Т или Ц-Г. Тези двойки като зъбци на цип обточват ДНК по цялата й дължина. Когато ДНК се използва, специален клетъчен механизъм разтваря ДНК ципа и чете зъбците, които съдържат инструкциите на генетичния код за производството на белтъци. Метиловата група е химична функционална група (СН3 за научните маниаци), която може да бъде прикачена към ципа, докато той се чете. Това се нарича метилиране. Метилирането променя начина, по който клетките четат ДНК инструкциите. То може да бъде хиперметилиране, когато към зъбците на ципа се добавят много метилови групи, които започват да пречат на функцията на ДНК - един вид я саботират. Ципът на това място вече не може да се чете и така всички белтъци, за които отговаря този участък от ДНК, спират да се произвеждат. Когато е щял да бъде произведен вреден протеин, тази епигенетична промяна е нещо добро. Както обикновено в биологията, може да се случи и обратното – нарича се хипометилиране. То е, когато се отстрани метилова група, която нормално потиска гена. Изведнъж тази част от ципа е свободна и генът може да произвежда белтъка в голямо количество. Ако протеинът, който се отприщва, е полезен, например потиска рака, това е нещо добро.

Модификацията на хистоните е друг вид епигенетична промяна, за която говорят учените. Също като метилирането, тази модификация прави определени гени по-достъпни или по-недостъпни. Хистоните са белтъци, намиращи се вътре в клетката, нагънати до кълбовидна форма. ДНК се увива около тях. Всяка нишка ДНК се свързва с голям брой хистони и заприличва на въже за катерене с хистонови „възли“ по цялата й дължина. Специални ензими помагат на ДНК да се отплете от хистоновите възли, така че произвеждащите белтъци механизми да могат да четат генетичния код. Химични групи, наречени ацетилни групи, могат да се прибавят (ацетилиране) или да се отстраняват (деацетилиране) от хистоните, променяйки тяхната форма.

Резултатът е, че различни гени могат да се изкарат наяве или да се скрият и така клетката ще произведе повече или по-малко протеин. Скриването или показването на гените само по себе си не е нито полезно, нито вредно за вашето здраве. Ефектът зависи от това какви са конкретните гени и дали създават полезни, или вредни протеини. Ако генът създава полезен протеин като например туморен супресор, разрехавяването на неговата ДНК предпазва вашето здраве. Ако генът има зловреден ефект, тогава ще бъде полезно неговата ДНК да се направи по-труднодостъпна.

Трети вид епигенетична промяна използва микро РНК. Макар че поначало белтъците се кодират от ДНК, тяхното производство изисква ДНК първо да се презапише в РНК (рибонуклеинова киселина), която да служи за матрица. РНК върши същинската работа в производството на белтъците. Има обаче специална група рибонуклеинови киселини – наречени микрорибонуклеинови киселини (микро РНК), които плуват наоколо и взаимодействат с главната РНК матрица, за да контролират производството на полезните протеини. Смята се, че микрорибонуклеиновите киселини контролират поне 30% от гените, които – произвеждат тези белтъци. {L. A. Macfarlane and P. R. Murphy, “MicroRNA: Biogenesis, Function and Role in Cancer”, Current Genomics 11, no. 7 (2010): 537-561.}

Нека обобщим епигенетиката, възможно най-просто:

- Метилирането води до потискане на гените, за да възпрепятства производството на белтъци. Деметилирането подпомага гените да произвеждат белтъци;

- Ацетилирането развива ДНК спиралата и позволява на гените да произвеждат белтъци. Деацитилирането стяга спиралата и прави ДНК по-недостъпна, така че се произвежда по-малко протеин;

- Микро РНК може избирателно да изключва производството на определени протеини, като пречи на РНК матриците.

Епигенетичните въздействия върху ДНК са обект на множество научни изследвания, особено що се отнася до храненето, но преди да ви кажа какво става с храната, е добре да видим как другите елементи на начина на живот влияят върху гените чрез тези епигенетични промени.

Повечето здравословни занимания създават позитивни епигенетични промени и сега ние осъзнаваме, че това е начинът, по който те оказват своето благоприятно въздействие – чрез нашите гени. Спортът например причинява епигенетични промени, които дават на нашите гени свобода да произвеждат полезни протеини, изграждащи мускулите, с което се увеличава изпомпващият капацитет на сърцето, стимулира се образуването на нови кръвоносни съдове, нужни за уголемяването на мускулите, и се понижават липидите в кръвта. {Elisa Grazioli et al., “Physical Activity in the Prevention of Human Diseases: Role of Epigenetic Modifications”, BMC Genomics 18, suppl. 8 (2017): 802} Други епигенетични промени, които са резултат от физическите упражнения, могат да блокират вредните гени. Такива промени се виждат след плуване, тичане, интервални тренировки и спортно ходене. {J. Denham, “Exercise and Epigenetic Inheritance ofDisease Risk”, Acta Physiologica 222, no. 1 (2018).}

Изследвания върху плъхове показват, че движението повишава активността на ДНК в мозъка. Това става в резултат на епигенетични промени – ацетилиране на хистоните, при което се произвеждат повече протеини за поддържане на здравето на мозъка. {C. Spindler et al., “Treadmill Exercise Alters Histone Acetyltransferases and Histone Deacetylases Activities in Frontal Cortices from Wistar Rats”, Cellular and Molecular Neurobiology 34, no. 8 (2014): 1097-1101.} Влиянието на физическата активност върху ДНК далеч не се ограничава само до здравето на лицето, което тренира. При мъжете тренировките влияят върху спермата им по начин, който може да се отрази на потомството им. Клинично проучване на Копенхагенския университет изследва епигенетичните последствия от едночасова тренировка по спининг, водена от квалифициран инструктор пет дни в седмицата в продължение на шест седмици. Бил изследван ефектът от тренировките върху сперматозоидите на здрави мъже доброволци на възраст 20-25 години. Изследователите взели и анализирали проби от семенна течност от мъжете преди началото на тренировъчния курс, след шест седмици тренировки и после след още три месеца без тренировки. Шестседмичните спининг тренировки причинили трайна епигенетична промяна в една „гореща точка“ от генома, а именно специфичната област от ДНК на сперматозоидите, която е отговорна за функцията на мозъка и развитието на нервната система на все още незаченатия плод. {Lars R. Ingerslev et al., “Endurance Training Remodels Sperm-Borne Small RNA Expression and Methylation at Neurological Gene Hotspots”, Clinical Epigenetics 2018; 10:12.} Ето как редовното физическо натоварване на мъжа може да бъде полезно за здравето на мозъка на децата много преди дори да бъдат заченати.

Добрият нощен сън причинява епигенетични промени в ДНК, както и безсънните нощи, но едните промени са добри, а другите – лоши. В проучване, проведено от Исландския университет и Университета в Упсала, Швеция, е изследвана ДНК на шестнайсет млади здрави мъже на възраст между 20 и 30 години след нощ, в която са спали в продължение на осем часа (добър нощен сън), последван от денонощие без никакъв сън (безсънна нощ). Взети са кръвни проби преди лягане в нощта с добър сън и преди закуска на следващия ден, след осем часа сън, както и след 24-часовото будуване.

Проучването показва, че осемте часа сън активират гени, които причиняват разграждане на мазнините и предотвратяват затлъстяването, докато лишаването от сън пречи на тези гени.{G. V. Skuladottir, Е. K. Nilsson, J. Mwinyi, and H. B. Schioth, “One-Night Sleep Deprivation Induces Changes in the DNA Methylation and Serum Activity Indices of Stearoyl-CoA Desaturase in Young Healthy Men”, Lipids in Health and Disease 15, no. 1 (2016): 137.} Недостатъчният или краткият сън увеличава риска от затлъстяване при децата с 45%. {L. Li, S. Zhang, Y. Huang, and K. Chen, “Sleep Duration and Obesity in Children: A Systematic Review and Meta-analysis of Prospective Cohort Studies.” Journal of Paediatrics and Child Health 53, no. 4 (2017): 378-385.} Епигенетичният ефект на съня е дълбок. Една безсънна нощ може да повлияе епигенетично на цели 269 гена, пречейк