Prof. dr hab. Grażyna Nowicka Żywienie a nasze geny

Nowicka_Zywienie a nasze geny:Nowicka_Zywienie a nasze geny.qxd
2011-12-13
12:20
Strona 7
Prof. dr hab. Grażyna NOWICKA
Kierownik Zakładu Genomiki Żywienia, Instytut Żywności i Żywienia w Warszawie
Żywienie a nasze geny
Żywienie jest czynnikiem o kluczowym znaczeniu dla rozwoju i działania
organizmu, a nauki żywieniowe dostarczają danych umożliwiających jak najlepsze wykorzystanie składników obecnych w żywności dla osiągnięcia tego celu: zachowanie zdrowia i obniżenie ryzyka rozwoju chorób przewlekłych, powstających na bazie błędów dietetycznych. Formułowanie rekomendacji, dotyczących składu diety, których przestrzeganie pomaga w utrzymaniu optymalnego stanu zdrowia, przeciwdziała nasileniu procesów towarzyszących starzeniu
się organizmu oraz rozwojowi wielu zaburzeń i chorób, to bez wątpienia jedno
z ważniejszych praktycznych zastosowań
osiągnięć nauk żywieniowych. Obecnie
rekomendacje te formułowane są przede
wszystkim w oparciu o badania epidemiologiczne. Mechanizm bowiem wpływu żywności na przebieg różnych procesów metabolicznych nie został dotąd
w pełni wyjaśniony. Koncepcja roli czynnika genetycznego, jako modulatora
osobniczych reakcji na składniki diety,
pojawiła się wiele lat temu. Jednak dopiero teraz dysponujemy narzędziami
pozwalającymi na badanie interakcji
między żywieniem a genami [Ordovas
i wsp., 2004; Nowicka i wsp., 2009].
Odkrycie w połowie ubiegłego stulecia struktury DNA, a następnie przedstawienie modelu genetycznej regulacji syntezy białek, stanęło u podstaw niezwykle
szybkiego rozwoju biologii molekularnej
i genetyki. Kamieniem milowym na drodze tego rozwoju było poznanie genomu
człowieka. Stwierdzenie, iż liczba genów
w naszym genomie nie przekracza
40 000, a więc jest stosunkowo niewielka,
biorąc pod uwagę złożoność naszego organizmu i porównując ze złożonością
i genomami innych organizmów (zarówno zwierzęcych jak i roślinnych), uświadomiło nam, że istotną rolę odgrywa tu
nie sama liczba genów, lecz proces ich
regulacji. W procesie tym ważną rolę odgrywają czynniki środowiskowe, które
na drodze regulacji ekspresji genów
wpływają na kształtowanie naszej odmienności. Wśród tych czynników dominującą pozycję zajmuje żywienie. Ponadto, około 30% naszych genów występuje
w różnych formach polimorficznych (tzn.
formach różniących się nieznacznie swoją budową). Znaczenie polimorfizmu
w różnicowaniu odpowiedzi metabolicznej na skład diety zostało dostrzeżone już
wiele lat temu, jednak dopiero dziś
na szeroką skalę prowadzone są prace
wyjaśniające te relacje [Nowicka, 2004].
W ostatnich latach pojawiły się i zaczęły się intensywnie rozwijać nowe obszary nauki, jak genomika (nutrigenomika),
proteomika czy metabolomika (ryc. 1).
Celem nutrigenomiki jest badanie
wpływu składników żywności na ekspresję
genów oraz badanie wpływu zmienności
genetycznej (tzn. obecności mutacji i form
polimorficznych genów) na odpowiedź metaboliczną na zmiany składu diety. Proteomika zaś ocenia, jak zmiany te przenoszą
się na zmiany w produkcji białek. Metabolomika koncentruje się na ocenie wpływu
powyższych na przebieg procesów metabolicznych i określa zmiany metaboliczne
w organizmie. Obok tych dziedzin wyróż-
Roczniki Warszawskiej Szkoły Zdrowia, R. XI – 2011
7
Nowicka_Zywienie a nasze geny:Nowicka_Zywienie a nasze geny.qxd
2011-12-13
12:20
Ryc. 1. Składniki diety i ich potencjalny wpływ na strukturę i ekspresję genów oraz obecność
i strukturę białek
nia się także epigenetykę, opisującą zjawiska niezwiązane ze zmianą sekwencji zasad w łańcuchu DNA, ale wpływające
na zmiany jego budowy, np. metylacja
DNA, co znajduje swój wyraz w zmianie
ekspresji genów [Nowicka, 2005].
Szczególne zainteresowanie budzą
relacje między zmiennością genetyczną,
tzn. obecnością określonych form polimorficznych genów lub ich mutacji a odpowiedzią metaboliczną na składniki
diety i związanym z tym ryzykiem rozwoju chorób. Dają one bowiem podstawę
do indywidualizacji zaleceń żywieniowych w oparciu o osobniczy profil genetyczny. Klasycznym przykładem takiego
działania są dziś powszechnie stosowane
specyficzne zalecenia w zakresie sposobu
żywienia dla osób z fenyloketonurią. Ścisłe przestrzeganie tych zaleceń pozwala
na prawidłowy rozwój i działanie organizmu. Genomika żywienia stwarza jednak
możliwość znacznie szerszych działań
w układzie poligenicznym i świadomość
istnienia takich możliwości leży u podstaw
szerokiego zainteresowania badaniami
z tego obszaru. Badania genetyczne po-
8
zwalają na wyodrębnianie grup podwyższonego i wysokiego ryzyka rozwoju chorób przewlekłych, takich jak np. cukrzyca,
nadciśnienie tętnicze czy choroba niedokrwienna serca (ChNS); grup, którym
określone zmiany dietetyczne mogą przynieść większe korzyści zdrowotne niż korzyści oceniane na poziomie populacji generalnej, a związane z istotnym obniżeniem ryzyka tych chorób. Przykładem mogą tu być homozygoty TT w zakresie polimorfizmu C677T genu MTHFR, wpływającego na metabolizm folianów i homocysteiny. W ich przypadku niedostateczny dowóz folianów wiąże się z większym niż
w przypadku homozygot CC wzrostem
poziomu homocysteiny i wzrostem ryzyka
zakrzepicy żylnej czy choroby niedokrwiennej serca [Solis i wsp., 2008].
Obecnie dysponujemy wynikami
wielu badań, wskazujących na możliwość
stosowania specyficznych zaleceń żywieniowych u nosicieli pewnych polimorfizmów genetycznych i wpływania na tej
drodze na zmniejszenie ryzyka rozwoju
chorób układu krążenia. Zaobserwowano, że wzrost spożycia wielonienasyco-
Roczniki Warszawskiej Szkoły Zdrowia, R. XI – 2011
Strona 8
Nowicka_Zywienie a nasze geny:Nowicka_Zywienie a nasze geny.qxd
nych kwasów tłuszczowych (PUFA) wiąże
się ze wzrostem poziomu apo AI i cholesterolu HDL u homozygot AA w obrębie
polimorfizmu -75G/A genu apo AI, ale
wywołuje odwrotny efekt u homozygot
GG. Ponadto, interakcja między PUFA
a allelem A jest silniejsza u kobiet niż
u mężczyzn. Wzrost spożycia n-6 PUFA
przynosi istotne, korzystne zmiany w obrazie lipidów także nosicielom allela Val
w obrębie polimorfizmu Leu162Val genu
PPARα, ale nie przynosi takich korzyści
nosicielom allela Leu. Wyniki tych badań
sugerują, że homozygotom AA (75G/A genu apoAI), będącym jednocześnie homozygotami ValVal (Leu162Val
genu PPARα), można zalecać istotny
wzrost spożycia n-6 PUFA, gdyż w ich
przypadku wiąże się to z istotnym obniżeniem ryzyka ChNS. Natomiast zaleceń takich nie należy przedstawiać homozygotom GG (-75G/A genu apoAI) i LeuLeu
Leu162Val genu PPARα), gdyż w ich przypadku może to prowadzić do powstania
niekorzystnego obrazu lipoprotein [Ordovas, 2006]. Oceniając znaczenie wyników
powyższych badań trzeba zauważyć, iż
biorą one pod uwagę tylko dwa polimorfizmy genetyczne i jeden, choć bardzo
ważny, składnik diety. Dlatego nie upoważniają one do zmiany generalnych zaleceń dotyczących spożycia n-6 PUFA, ale
2011-12-13
12:20
Strona 9
nakłaniają do prowadzenia badań w celu pełniejszego udokumentowania tych
zależności i określenia wpływu innych
czynników genetycznych i środowiskowych i stwarzają możliwość formułowania zaleceń kierowanych do ściśle określonych grup w celu obniżenia ryzyka
rozwoju ChNS [Nowicka, 2007].
Wielonienasycone kwasy tłuszczowe
z rodzin n-3 i n-6 należą do składników
diety najintensywniej badanych przy użyciu nowoczesnych narzędzi biologii molekularnej. Badania te wyjaśniają mechanizm działania tych kwasów, wywoływane zmiany w ekspresji genów i ich wpływ
na modulację procesów związanych
m.in. z obniżeniem ryzyka rozwoju chorób układu krążenia, wielu chorób o podłożu immunologicznym i chorób nowotworowych. Udowodniono, że PUFA zmieniają poziom transkrypcji wielu genów
wpływających na metabolizm kwasów
tłuszczowych i lipidów, a także przebieg
procesu zapalnego. Jednocześnie wykazano, że aktywność n-3 PUFA w regulacji
ekspresji genów jest istotnie wyższa niż n-6 PUFA, dlatego też efekty biologiczne
kwasów z rodziny n-3 PUFA istotnie różnią się od efektów kwasów z rodziny n-6
PUFA [Nowicka i wsp., 2008] (ryc. 2 i 3).
Ważnym kierunkiem badań jest również określenie wpływu składników żywno-
Ryc. 2. Wielonienasycone kwasy tłuszczowe z rodziny n-3 (omega-3) i ich wpływ na ekspresje
genów modulujących metabolizm lipidów i rozwój procesu zapalnego
Roczniki Warszawskiej Szkoły Zdrowia, R. XI – 2011
9
Nowicka_Zywienie a nasze geny:Nowicka_Zywienie a nasze geny.qxd
Ryc. 3. Wpływ obniżenia spożycia n-3 PUFA
i jednoczesnego wzrostu spożycia
n-6 PUFA na metabolizm lipidów
oraz syntezę molekuł nasilających
rozwój procesu zapalnego
ści na stabilność genomu. Wiadomo, że
specyficzne czynniki chemiczne i fizyczne
mogą powodować określone zmiany
w genomie komórek rozrodczych i komórek somatycznych. Powszechnie znany jest
np. wpływ promieniowania jonizującego
na powstawanie nowych mutacji. Generalnie nasz genom należy uznać za układ stabilny, gdyż częstość powstawania nowych
mutacji, przekazywanych następnym pokoleniom, szacuje się na 0,5% w ciągu 1
miliona lat. Z punktu widzenia zachowania
zdrowia ważne są jednak nie tylko mutacje
przekazywane, ale także mutacje zachodzące tylko w komórkach danego organizmu. Stanowią one podstawę zmian metabolizmu tych komórek i mogą prowadzić np. do rozwoju chorób nowotworowych i degeneracyjnych, zwiększenia tempa starzenia się organizmu, powstawania
wad wrodzonych lub zaburzeń rozwojowych. Prawdopodobieństwo spontanicznych mutacji lub innych defektów w budowie DNA oceniane jest jako wysokie. Ich
przyczyną może być np. narażanie organizmu na działanie wolnych rodników lub
występowanie niedoborów kwasu foliowe-
10
2011-12-13
12:20
go, powodujące w życiu płodowym uszkodzenie genomu, co prowadzi do powstania wad cewy nerwowej. Dlatego notujemy
rozwój badań oceniających rolę składników żywności w zapobieganiu zmianom
w genomie naszych komórek [Finnel
i wsp., 1998; Wang i wsp., 2010].
Wspomniane powyżej udokumentowanie znaczenia kwasu foliowego w zapobieganiu zmianom w budowie chromosomów i zapewnieniu odpowiedniego
stopnia metylacji DNA, zaowocowało już
zmianami zaleceń co do wielkości dziennego spożycia folianów. Szczególną wagę przywiązuje się do ich przestrzegania
przez kobiety w wieku rozrodczym w celu istotnego zmniejszenia wad cewy nerwowej u noworodków [MIRC, 1991].
Niedobory kwasu foliowego i witaminy B12
są także przyczyną niedostatecznej metylacji DNA, wbudowywania uracylu
w łańcuch DNA, zwiększenia stopnia
uszkodzeń DNA i chromosomów sprzyjających rozwojowi chorób degeneracyjnych, np. choroby Alzheimera i chorób
nowotworowych (ryc. 4).
Ryc. 4. Spożycie kwasy foliowego i jego wpływ
na strukturę genów, ich ekspresje
oraz ryzyko rozwoju chorób
Roczniki Warszawskiej Szkoły Zdrowia, R. XI – 2011
Strona 10
Nowicka_Zywienie a nasze geny:Nowicka_Zywienie a nasze geny.qxd
Wyniki wielu badań podkreślają również rolę witamin antyoksydacyjnych: witaminy E i witaminy C oraz karotenoidów
w przeciwdziałaniu oksydacji DNA, a także złamaniom chromosomów [Nowicka
i wsp., 2009]. Pokazują jednocześnie, iż
beta-karoten moduluje wiele procesów
komórkowych, np. wzrost i różnicowanie
komórek, przenoszenie informacji wewnątrz i między komórkami. Siła i kierunek działania beta-karotenu zależy od jego stężenia. Stwierdzono, że bardzo wysokie stężenia beta-karotenu mogą np.
zwiększać wrażliwość na działanie karcinogenów. Wyniki badań in vitro i in vivo
dają podstawę do sformułowania poglądu, iż nie należy stosować wysokich dawek beta karotenu – zwłaszcza u palaczy
i osób narażonych na działanie różnego
typu czynników kancerogennych. Natomiast nie ma powodu, aby osoby te unikały naturalnych źródeł karotenoidów
i spożywały je zgodnie z obecnymi zaleceniami. Badania kobiet szwedzkich pokazują, że karotenoidy dostarczane z dietą są odwrotnie skorelowane z ryzykiem
raka sutka u kobiet palących oraz kobiet
nieprzyjmujących suplementów witaminowych [Larrson i wsp., 2010]. Natomiast
przyjmowanie dużych dawek suplementów
wielowitaminowych wiązało się ze wzrostem ryzyka raka sutka w badanej populacji. Wyniki te ukazują złożoność relacji
między poziomem dowozu różnych witamin a ich wpływem na przebieg procesów
2011-12-13
12:20
Strona 11
komórkowych, stabilność genomu i ryzyko
rozwoju niepożądanych procesów.
Widząc korzyści, jakie niesie ze sobą
rozwój badań w zakresie interakcji między
genami a żywieniem, należy podkreślić ich
złożoność i związane z tym trudności interpretacyjne, a w efekcie trudności w praktycznym wykorzystaniu wyników tych badań. Spożywana przez nas żywność jest
złożonym układem różnych związków,
z których każdy wywiera określony efekt
metaboliczny, a nasza dieta składa się
z różnych produktów spożywczych.
W pewnych sytuacjach elementy tego
układu mogą działać w sposób przeciwstawny i nie dopuszczać do ujawnienia się
określonych efektów, co może utrudniać ich
identyfikację. Z drugiej zaś strony heterogenność badanych grup, a więc jednoczesna obecność różnych form polimorficznych różnych genów, może wywoływać
podobny efekt. Badania w zakresie genomiki żywienia dają możliwość zrozumienia
i udokumentowania interakcji między żywieniem a genami, zrozumienia molekularnych podstaw procesów metabolicznych
i ich zaburzeń. Wiedza ta powinna służyć
lepszemu wykorzystaniu żywienia w celu
utrzymaniu zdrowia i zapobiegania rozwojowi chorób dietozależnych. Nie należy
natomiast spodziewać się, że genomika
żywienia w istotny sposób zmieni obecnie
powszechnie akceptowane kluczowe zasady żywienia człowieka, oparte na wynikach wieloletnich badań i obserwacji.
Piśmiennictwo
Finnell R.H., Greer U.A., Barber R.C., Piedrahita J. A.: Neural tube and craniofacial defects with special emphasis on folate pathway genes, Crit. Rev. Biol.
Med., 1998, 9, 38-53.
Larsson S.C., Ahesson A., Bergkvist L., Wolk A.: Multivitamins use and breast cancer incidence in a prospective cohort of Swedish women. Am. J. Clin.
Nutr., 2010, 91, 1268-72.
Roczniki Warszawskiej Szkoły Zdrowia, R. XI – 2011
11
Nowicka_Zywienie a nasze geny:Nowicka_Zywienie a nasze geny.qxd
2011-12-13
12:20
Larsson S.C., Bergkvist L., Wolk A.: Dietary carotenoids and risk of hormone receptor defined breast cancer in a prospective cohort of Swedish women. Eur. J. Cancer,
2010, 46,1079-85.
MRC Vitamin Study Research Group: Prevention of neural tube defects: results of the
Medical Research Council Vitamin Study, Lancet 1991, 338, 131-36.
Nowicka G., Chmurzyńska A.: Genetyka i genomika w ocenie ryzyka chorób dietozależnych i ich prewencji. [w:] Żywienie Człowieka a Zdrowie Publiczne, J. Gawęcki, W. Roszkowski (red.), Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa
2009, 103-115.
Nowicka G., Jarosz A., Włodarczyk M.: Wielonienasycone kwasy tłuszczowe
a ekspresja genów, Żyw. Człon. Metab., 2008, 35, 340-347.
Nowicka G., Włodarczyk M.: Witaminy a stabilność struktury DNA, Żyw. Człon.
Metab., 2009, 36 (5-6), 714-722.
Nowicka G.: Badania genetyczne w naukach żywieniowych, Żyw. Człow. Metab., 2007, 34, 1571-1574.
Nowicka G.: Geny, żywienie, zdrowie. Gdzie jesteśmy, dokąd zmierzamy? Żyw.
Człow. Metab., 2004, 31, 247-53.
Nowicka G.: Polimorfizm genów a odpowiedź metaboliczna na składniki diety, [w:]
Fizjologiczne uwarunkowania postępowania dietetycznego, Część I, 87-96, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2004.
Nowicka G.: Rozwój genetyki i nauk żywieniowych a działania na rzecz zachowania zdrowia, Studia Ecologiae et Bioethicae, 2005, 3, 83-90.
Ordovas J. M., Mooser V.: Nutrigenomics and nutrigenetics, Curr. Opin. Lipidol.,
2004, 15, 101-5.
Ordovas J. M.: Genetic interactions with diet influence the risk of cardiovascular disease, Am. J. Clin. Nutr., 2006, 83 (supl), 443-8S.
Solis C., Venna K., Ivanow A. A., et al.: Folate intake at RDA levels is inadequate
for American men with the methylenetetrahydrofolate reductase 677TT genotype, J.
Nutr., 2008, 138, 67-74.
Wang L., Wang F., Guan J., et al.: Relation between hypomethylation of long interspersed nucleotide elements and risk of neural tube defects, Am. J. Clin.
Nutr., 2010, 91,1359-67.
•
12
Roczniki Warszawskiej Szkoły Zdrowia, R. XI – 2011
Strona 12