Регуляция активности генов через питание - диету. Физиологические основы
Младенческий возраст характеризуется значительными изменениями в диете ребенка. Далее сна сайте будут опубликованы статьи посвященные вопросам влияния этих изменений на экспрессию генов в клетках скелетных мышц (как пример конечной точки действия у человека) и кишечнике (место «взаимодействия» организма ребенка с пищей).
В отличие от других органов кишечник ребенка плохо защищен от изменений в характере питания. У плода кишечник стерилен, и питание плода имеет гемотрофный характер. После рождения ребенка его кишечник взаимодействует с довольно сложной по составу пищей, содержащей различные ингредиенты в меняющихся концентрациях. По мере взросления ребенка состав потребляемой им пищи становится более сложным.
Изменение экспрессии генов — та область медицины, которой в последнее время посвящается все большее количество исследований. Понимание того, что экспрессия генов является важным аспектом возникновения многих заболеваний (и не только наследственных), привело исследователей к мысли о возможности разработки новых терапевтических подходов. В последние годы наибольшее внимание уделялось вопросам преимуществ, которые можно получить при изменении экспрессии генов посредством внедрения нового генетического материала в клетку.
Но экспрессию генов можно изменить и другими средствами, например изменением молекулярного окружения клетки. Использование естественного ответа клетки на изменение ее молекулярного окружения представляет собой новый, довольно вариабельный способ изменения экспрессии генов. Были предложены многие методы изменения окружающей клетку среды, но никакое действие не изменяет ее так, как вариабельность диеты. Следовательно, будущее питания как инструмента терапии может быть связано с его способностью влиять на регуляцию генов.
В данных статьях на нашем сайте обсуждаются некоторые научные подходы, составляющие основу для возможной разработки новых средств терапии в будущем.
Вероятность того, что ребенок доживет до репродуктивного возраста и старше, определяется в целом способностью его организма отвечать на внешние воздействия. Это касается каждого органа человека. Многие органы и системы имеют два уровня ответа на внешние воздействия. Один из них — быстрый ответ, который может измеряться секундами с момента воздействия какого-либо раздражителя.
Примерами быстрого реагирования клеток могут служить сокращение мышечных волокон в ответ на нейрональный импульс или распад гликогена печени в ответ на гипогликемию. Такой ответ не предполагает изменения экспрессии генов. Клетки поддерживают себя в статусе «готовности», синтезируя белки, активность которых быстро изменяется в ответ на внешнее воздействие. Кроме быстрого ответа существует и медленный ответ, находящийся под генетическим контролем.
Например, при повышении физической нагрузки отмечается увеличение мышечной массы. Это обусловлено изменением активности ферментов, необходимых для удовлетворения возросших метаболических потребностей. Подобно этому, постоянное взаимодействие печени с лекарственными препаратами стимулирует экспрессию ферментов, катализирующих их распад.
Известны лишь немногие внешние стимулы, более важные, чем изменения диеты. Метаболические процессы, лежащие в основе быстрого ответа клеток на вариабельность диеты, были изучены у человека и других млекопитающих. Несмотря на это, остаются малоизученными те механизмы, благодаря которым происходят изменения в экспрессии генов в ответ на стимуляцию изменениями в диете. Это вызывает удивление, поскольку исследование нутритивных изменений у бактерий легло в основу понимания некоторых из наиболее фундаментальных механизмов экспрессии генов.
Клетки крипты тонкой кишки
Первым исследованием феномена генной регуляции явилось изучение индукции протеинов, участвующих в транспорте и гидролизе лактозы (лактозный оперон), при добавлении лактозы к культуре бактерий. Данные наблюдения породили целый ряд исследований, касающихся других регуляторных генов бактерий и одноклеточных эукариотических организмов, например дрожжевых грибов. Другим примером взаимодействия нутриентов и генов является повышение экспрессии бактериальных генов, регулирующих выработку триптофана в тех случаях, когда отмечается недостаток этой аминокислоты (триптофановый оперон).
Прогресс в изучении взаимодействия нутриентов и генов в эукариотических клетках не столь очевиден по двум причинам. Во-первых, молекулярные механизмы, контролирующие экспрессию генов, в этих клетках более сложные, чем у бактерий. Во-вторых, довольно сложно определить те метаболиты компонентов пищи, которые ответственны за индукцию таких изменений. В данной главе будут рассмотрены некоторые из последних достижений в изучении роли питания в экспрессии генов у человека и некоторых других млекопитающих.
Изменения диеты в конечном итоге влияют на состояние многих клеток человеческого организма, однако эпителий ЖКТ первым испытывает на себе любое изменение питания. В связи с этим большая часть следующих статей на нашем сайте будет посвящена обсуждению того, каким образом нутритивные факторы могут изменять экспрессию генов в эпителиальных клетках кишечника. Также будет сделан акцент на важности взаимодействия между нутриентами и генами для физиологии человека.
И наконец, учитывая, что диета может быть потенциальным способом воздействия на различные заболевания, будут рассмотрены возможности нутритивной терапии в детском возрасте в свете ее эффекта в отношении экспрессии генов.
Физиологическое значение нутритивной регуляции экспрессии генов
- Удовлетворение потребности органа в определенных нутриентах
- Управление созданием запасов нутриентов, необходимых другим органам
- Продукция гормонов, необходимых для всего организма в целом
- Прямое взаимодействие с окружающей организм средой на уровне желудочно-кишечного тракта
В разных ситуациях может отмечаться дифференцированное воздействие нутриентов на экспрессию генов. Во-первых, гены могут быть подвержены процессу повышения экспрессии с целью более полного обеспечения каким-либо компонентом пищи, дефицит которого испытывает в данный момент организм. Примерами белков, которые могут быть стимулированы с помощью нутриентов, являются переносчики (транспортеры) нутриентов и ферменты, участвующие в их метаболизме.
Во-вторых, при избытке какого-либо нутриента может изменяться экспрессия генов, необходимых для создания запаса в организме именно этого компонента пищи. В-третьих, нутриенты регулируют секрецию гормонов, контролирующих постоянство метаболических процессов. Например, для того чтобы поддержать постоянный уровень глюкозы, в ответ на увеличение углеводной нагрузки повышается синтез инсулина. И, наконец, пища, являясь частью нашей среды обитания, представляет собой определенную проблему для клеток, которые непосредственно с ней контактируют. В первую очередь это касается эпителия ЖКТ. Способность этих клеток изменять экспрессию их генов в ответ на изменения в диете представляет собой один из способов, посредством которых эпителий кишечника контролирует кишечную среду.
Были выявлены определенные фундаментальные характеристики тех механизмов, которые составляют основу каждого из перечисленных аспектов взаимодействия нутриентов и генов. Эти характеристики подразумевают специфическое взаимодействие между клеткой и каким-либо нутриентом (так называемый sensing) и механизм, посредством которого это взаимодействие трансформируется в изменение экспрессии генов (механизм сигнальной трансдукции). Суть этих процессов к настоящему времени изучена мало, однако некоторые аспекты молекулярной биологии, касающиеся двух этих функций, будут освещены в дальнейших статьях на нашем сайте.
