dr n. med. Krzysztof Kamiński

Epigenetyka to nauka zajmująca się badaniem zmian ekspresji genów, które nie są związane ze zmianami w sekwencji nukleotydów w DNA. Zmiany aktywności genów mogą być modyfikowane przez wpływ czynników środowiskowych i podlegać dziedziczeniu. Termin „epigenetyka” wprowadził do literatury naukowej w 1896 roku Wilhelm August Oscar Hertwig, który określił nim przekazywanie cech ponad dziedziczeniem rodzicielskim (gr. epi genesis – poza genezą). Epigenetykę jako naukę rozwinął później Conrad Hal Waddington, który stworzył ewolucyjną i epigenetyczną biologię rozwoju, tj. gałąź biologii badającą pojawianie się określonych fenotypów w wyniku oddziaływań pomiędzy genami a produktami ich ekspresji, które nie są determinowane mutacjami jądrowego DNA¹. W swojej książce pt. „Strategia genów” z 1957 roku po raz pierwszy na świecie wytłumaczył, w jaki sposób omnipotencjalne komórki embrionalne różnicują się w odmienne, wysoce specjalistyczne tkanki, mimo że posiadają identyczny materiał genetyczny².

Na bazie epigenetyki wyrosła nutrigenomika – nowoczesna interdyscyplinarna dziedzina nauki zajmująca się badaniem wpływu składników żywieniowych na ekspresję genów, które warunkują ich prawidłowe funkcjonowanie lub występowanie chorób. Nutrigenomika korzysta z nauk podstawowych, m.in. z: genetyki, biologii molekularnej, biochemii, farmakologii, dietetyki czy bioinformatyki, i została stworzona z myślą o optymalizacji sposobu odżywiania człowieka wobec jego indywidualnych cech, także tych, które są dziedziczone rodzinnie lub wynikają z wpływów środowiskowych. Prowadzi to do stworzenia medycyny spersonalizowanej, gdyż profilowanie genomu wraz z aktualnymi wynikami badań biochemicznych krwi pozwoliłoby na zindywidualizowane rekomendacje w zakresie ustalenia zapotrzebowania na mikro- i makroelementy w diecie dla każdej jednostki ludzkiej. Nadrzędnym celem tej dziedziny wiedzy jest poprawa zdrowia populacyjnego poprzez interakcje gen–składnik pokarmowy już na etapie życia wewnątrzmacicznego, co może zmniejszyć ryzyko występowania pewnych chorób cywilizacyjnych w życiu osobniczym przyszłych pokoleń, takich jak: otyłość, zespół metaboliczny, miażdżyca i związane z tym choroby układu sercowo-naczyniowego, nadciśnienie tętnicze, cukrzyca typu 2, choroby neurodegeneracyjne czy nowotworzenie.

W odniesieniu do kobiet planujących ciążę i ciężarnych stosuje się pojęcie „programowanie płodowe” (FP – fetal programming). Termin ten po raz pierwszy został użyty przez Davida Barkera, brytyjskiego epidemiologa specjalizującego się w epidemiologii chorób zakaźnych i przewlekłych, który stworzył teorię tzw. rozwojowych źródeł zdrowia i chorób (DOHaD – developmental origins of health and disease)³, co przyczyniło się do postępu w zakresie badań w obszarze epidemiologii reprodukcyjnej na całym świecie⁴. Barker na podstawie obserwacji wyników badań epidemiologicznych zauważył, że istotne czynniki środowiskowe, które „programują choroby dorosłych” oddziałują w życiu płodowym i mają często charakter niegenetyczny. Modulacje epigenetyczne mogą być indukowane w życiu płodowym przez wiele czynników, takich jak: składniki żywieniowe (zarówno przez ich niedobór, jak i nadmiar), stres, używki (tytoń, alkohol, środki psychoaktywne), ekspozycja na związki chemiczne (w tym leki), choroby matki (infekcje i choroby przewlekłe), profil hormonalny, aktywność fizyczna, stan psychofizyczny i wiele innych. Korzystne programowanie płodowe polega zatem na oddziaływaniu poprzez dietę i suplementację (w przypadku niedoborów żywieniowych), a także aktywny tryb życia i eliminację szkodliwego wpływu środowiska na ekspresję genów w celu poprawy stanu zdrowia noworodka i generowanie długofalowych korzyści dla prawidłowego funkcjonowania organizmu.

Powiązaniem wcześniejszych hipotez i przeniesieniem ich już na poziom mechanizmów genetycznych jest koncepcja odpowiedzi predyktywno-adaptacyjnej organizmu zaproponowana przez Petera Gluckmana i Marka Hansona w 2004 roku⁵. Teoria ta zakłada, że komórki płodu już w macicy przechodzą wiele zmian adaptacyjnych w odpowiedzi na bodźce związane ze stanem metabolizmu matki, np. na stężenie hormonów, glukozy, białka, lipidów. Na tej podstawie płód może „przewidzieć” i dostosować się do spodziewanego środowiska, które zastanie po urodzeniu. Niektóre odpowiedzi adaptacyjne mogą być od razu widoczne (np. w postaci hipotrofii lub makrosomii), inne zaś objawić się po latach (np. predyspozycja do otyłości, nadciśnienia tętniczego, cukrzycy). Modulacje epigenetyczne stanowią zatem podstawę mechanizmu długoterminowego programowania wystąpienia choroby, który ujawnia się bezpośrednio po urodzeniu lub w życiu osobniczym bieżącego pokolenia i nie musi już podlegać darwinowskiej selekcji. Warto podkreślić, że obecnie ścierają się dwie koncepcje, które próbują wytłumaczyć zachodzące zmiany w epigenomie.

Barker formułując swoją hipotezę o tzw. oszczędnym fenotypie, zapożyczoną z epidemiologicznych kohortowych badań obserwacyjnych, przewidywał, że kraje, w których ryzyko wystąpienia zespołu metabolicznego (i związanych z tym niekorzystnych konsekwencji zdrowotnych) jest największe, to te, gdzie odżywianie kobiet w ciąży w latach powojennych było nieoptymalne – późniejsi 30-50-latkowie zostali zatem zaprogramowani do życia w warunkach, które według „przewidywań” płodu będą się charakteryzować brakiem pożywienia⁶. Barker argumentował, że mała urodzeniowa masa ciała płodu w okresie głodu ma kluczowy związek z adaptacyjną odpowiedzią i indukcją ekspresji genów wywołujących insulinooporność. Gdyby sytuacja żywieniowa się zmieniła i dostęp do żywności stał się nadmierny, należałoby się spodziewać epidemii otyłości, cukrzycy, chorób sercowo-naczyniowych (zawałów serca i udarów) i przedwczesnej śmierci. Podobnie obserwowany deficyt liczby nefronów w nerkach u dzieci z małą masą ciała po urodzeniu miałby znaczenie dla rozwoju nerkowopochodnego nadciśnienia tętniczego w późniejszym wieku.

Odmienną hipotezę przedstawił epidemiolog rozrodu Allen Wilcox, który zwraca uwagę na fakt, że urodzeniowa masa ciała jest często epifenomenem w innym łańcuchu przyczynowym i właśnie te inne przyczyny niż żywieniowe należałoby badać⁷. Punktem wyjścia dla tego wniosku była obserwacja populacji, w której urodzeniowe masy ciała dzieci nie mieszczą się w rozkładzie Gaussa. Mała masa ciała po urodzeniu jest silnie związana z ryzykiem zwiększonej zachorowalności i zgonu w pierwszym roku życia oraz w mniejszym stopniu z wystąpieniem zaburzeń rozwojowych w dzieciństwie i ryzykiem chorób w życiu dorosłym. Istotnymi przyczynami małej urodzeniowej masy ciała mogą być np. palenie tytoniu we wczesnej ciąży i wywołane tym zaburzenia funkcjonowania łożyska. Barker nie uważał, aby palenie tytoniu miało długotrwały wpływ na zdrowie potomstwa. Nikotynizm matki powoduje wewnątrzmaciczny asymetryczny deficyt wzrastania płodu i utratę tkanki tłuszczowej, ale nie upośledza budowy i funkcji ważnych dla życia narządów. Nadal nie znamy wszystkich konsekwencji epidemii palenia tytoniu przez kobiety w ciąży w drugiej połowie XX wieku. Następstwa te staną się widoczne, gdy dzieci urodzone przez matki palące tytoń osiągną kres swojego życia i być może tylko wtedy, gdy dzieci urodzone i obserwowane w kohortach z bogatymi danymi pod względem prenatalnych czynników zakłócających wewnątrzmaciczne wzrastanie osiągną ten wiek.

Jakkolwiek obie hipotezy są zgodne, że urodzeniowa masa ciała, która jest niższa od przewidywanej, jest wskaźnikiem ryzyka wystąpienia niekorzystnych następstw zdrowotnych.

Mechanizmy epigenetyczne

Teoria wpływu środowiska na rozwój i zdrowie człowieka zakłada, że proces dziedziczenia pewnych cech, w szczególności tych, które nie są determinowane sekwencją jądrowego DNA, odbywa się także pozagenowo. Mechanizmy epigenetyczne opierają się na ekspresji i supresji genów kodujących aktywne biologicznie białka, które sterują procesami metabolicznymi, prowadząc do pojawienia się pożądanych cech i funkcji².

Najbardziej istotnym mechanizmem epigenezy jest metylacja DNA, która polega na przyłączaniu grup metylowych (-CH₃) do jednego z nukleotydów, tj. cytozyny, w tzw. wyspach cytozynowo-guaninowych miejsc regulatorowych genów (CpG), co powoduje supresję w odczytywaniu tak zmienionego genu. Zmetylowany, chociaż nadal o prawidłowej sekwencji, gen znajduje się w jądrze komórkowym i w czasie podziałów mitotycznych będzie przekazywany komórkom potomnym, ale nie będzie funkcjonalny, więc efekt będzie taki, jakby komórka była tego genu pozbawiona. Drugi mechanizm epigenetyczny to modyfikacja poprzez metylację histonów, czyli zasadowych białek tworzących chromatynę, które odpowiadają za organizację przestrzenną DNA, a dzięki wolnym końcom mogą tworzyć wyższe stopnie upakowania materiału genetycznego w jądrze komórkowym. Proces metylacji histonów wpływa na gęste upakowanie chromatyny w nukleosomie, hamując tym dostępność DNA dla czynników odczytujących kod genetyczny, co prowadzi do wyciszenia aktywności genu. Trzecim mechanizmem jest interferencja mikroRNA – jednoniciowych, krótkich cząsteczek RNA o długości 16-29 nukleotydów regulujących ekspresję innych genów, głównie poprzez ich wyciszanie lub modyfikację. MikroRNA wpływa na upakowanie chromatyny lub aktywność enzymów metylotransferaz DNA (DNMT – deoxyribonucleic acid methyltransferase) w procesie transkrypcji z matrycy DNA i translacji na RNA, co powoduje kontrolowanie aktywności genu w zależności od zapotrzebowania na dane białko.

Znane czynniki żywieniowe o dużym potencjale metylacyjnym będące źródłem jednowęglowych reszt CH₃ to:

• S-adenozylometionina (pochodna metioniny)
• 5-metylotetrahydrofolian (aktywny biologicznie metabolit kwasu foliowego)
• cholina.

Niedobory cholinowo-folianowe będą wpływały na niedobór S-adenozylometioniny, a ich skutkiem będzie hipometylacja DNA. Kofaktory metabolizmu szlaku folianowego to witaminy z grupy B: witamina B₂ (ryboflawina), B₆ (pirydoksyna), B₁₂ (kobalamina).

Istnieją dostateczne dowody naukowe, że deficyt źródeł reszt metylacyjnych w diecie jest odpowiedzialny za niekorzystne odległe następstwa zdrowotne i jest odbiciem epigenetycznej odpowiedzi na ekspozycje perikoncepcyjne. Praca autorów skupionych w MRC International Nutrition Group jest prawdopodobnie pierwszym potwierdzeniem na materiale ludzkim, że matczyny status wysycenia czynnikami o potencjale metylacyjnym w momencie zapłodnienia koreluje z metylacyjnym wzorcem metastabilnych epialleli (ME – metastable epialleles) u potomstwa. Metastabilne allele to fragmenty rodzicielskiego DNA istotne dla rozwoju embrionalnego, które odpowiadają za różnicowanie komórek, zachowują swój wzorzec metylacyjny i są przekazywane potomstwu⁸.

Chińscy badacze Chen i wsp. również wykazali, że obniżony potencjał metylacyjny 15 z 24 genów leukocytów krwi obwodowej (mierzonych Methyl-Profiler PCR Array) spowodowany małym udziałem czynników metylacyjnych w diecie, badany w III trymestrze ciąży, skutkował porodem przedwczesnym i małą urodzeniową masą ciała u dziecka⁹.

Epigenetyczna rola folianów i witamin z grupy B

Jednym z pierwszych poznanych czynników epigenetycznych jest kwas foliowy (witamina B₉), którego niedobór we wczesnym okresie rozwoju zarodka może przyczyniać się do zaburzeń procesu neurulacji skutkujących wadami ośrodkowego układu, w tym wadą cewy nerwowej (WCN), a także wadami serca, układu moczowego, twarzoczaszki i kończyn. Kluczowym zadaniem kwasu foliowego jest dostarczanie reszt jednowęglowych związkom, które biorą udział w następujących procesach: w podziałach komórkowych (w tworzeniu kwasów nukleinowych), syntezie białek, metabolizmie aminokwasów (przemiana seryny i glicyny), katabolizmie histydyny do kwasu glutaminowego oraz w przekształcaniu homocysteiny (Hcy) do metioniny. Niedostateczna metylacja kwasów nukleinowych, białek, a przede wszystkim hiperhomocysteinemia prowadzą do zaburzeń semikonserwatywnej replikacji DNA w czasie szybkiej proliferacji komórek tarczy zarodkowej i trofoblastu, a później, w trakcie tworzenia się łożyska, powodują uszkodzenie śródbłonków naczyń m.in. poprzez gwałtownie postępujące zmiany aterogenne. Wykazano, że zmniejszona podaż folianów i/lub obniżona aktywność enzymu reduktazy metylenotetrahydrofolianowej (MTHFR – methylenetetrahydrofolate reductase) ze względu na jej polimorfizmy skutkuje zwiększeniem stężenia Hcy o 72%. Przez to ryzyko wystąpienia WCN u potomstwa wzrasta u kobiet z obecnością polimorfizmów pojedynczych nukleotydów (SNP – single-nucleotide polymorphism) w genach MTHFR w loci 677C-T o 50% (homozygota TT) i o 80%, gdy współistnieje z polimorfizmem w loci 1298A-C (homozygota CC)¹⁰.