Нутригеномика: питание vs. заболевания

Здоровое питание как профилактика неинфекционных заболеваний и неотъемлемая часть здорового образа жизни

Меры профилактики неинфекционных заболеваний — фгбу «нмиц тпм» минздрава россии

Нутригенетика: от генов к пище

Нутригенетика изучает, как вариации в генах отражаются на усвоении и метаболизме пищи и, соответственно, выявляет генетические предрасположенности к заболеваниям. Генетические заболевания подразделяют на моногенные (определяются вариацией в одном гене) и полигенные (определяются комбинацией генов факторами внешней среды) [36].

К моногенным заболеваниям относят, например, фенилкетонурию, глютеновую болезнь, непереносимость лактозы. Причина таких заболеваний ясна, поэтому внешние проявления предотвратить просто: достаточно исключить из рациона неусваиваемый компонент пищи.

Для профилактики полигенных заболеваний — ожирения, диабета II типа, рака, нарушений сердечно-сосудистой системы — необходимо контролировать не только рацион, но и следить за степенью физической активности, уровнем стресса и пр. Тем не менее, накапливающиеся знания из нутригенетики и нутригеномики позволяют индивидуально (в зависимости от генотипа) выявить группы риска и определить, каких продуктов данному человеку стоит избегать, а какими, наоборот, дополнить свое ежедневное меню, чтобы минимизировать риски заболеваний.

Сердечно-сосудистые заболевания (CCЗ). Развитие ССЗ чрезвычайно комплексно, поэтому ученые еще далеки от установления всех факторов рисков и способов их устранения. Однако в генах липидного обмена (генах аполипопротеинов E, A1, A2, A54; PPARs; липоксигеназы-5 и др.) выявлены вариации, у обладателей которых быстрее развивается ССЗ от высококалорийного питания [35].

Также показано, что у людей с медленным метаболизмом кофеина повышается риск сердечных атак при его употреблении [36]. При этом доказан основной риск развития ССЗ — наличие метаболического синдрома, который характеризуется «смертельной четверкой»: повышением артериального давления, уровня сахара и липидов в крови, ожирением.

Рак. Особенности транспорта и метаболизма питательных веществ вносят вклад в развитие (или предотвращение) раковых заболеваний. Например, распространена мутация, снижающая эффективность фермента, необходимого для метилирования ДНК.

При недостатке в пище источников метильных групп (фолата и холина), носители такой мутации имеют повышенную вероятность заболеть колоректальным раком. Для таких людей употребление алкоголя — это дополнительный усугубляющий фактор, так как алкоголь снижает абсорбцию фолата и увеличивает его выведение из организма [34].

Употребление красного мяса значительно увеличивает риск развития колоректального рака как у обладателей быстрой N-ацетилтрансферазы, так и у носителей особой комбинации полиморфизмов в гене цитохрома P450[33], [36].

Обнаружено также, что вероятность онкологических заболеваний возрастает при мутации в гене одного из типов глутатионтрансфераз (ферментов, участвующих в детоксикации), и постоянное поступление в организм токсинов (при курении и др.) опасно для людей с подобной мутацией.

Ожирение. Определенный вариант гена FTO (fat mass- and obesity-associated gene) ассоциирован у людей с ожирением и диабетом. Во время проведения исследований выяснилось, что при неограниченном доступе к еде дети с таким вариантом FTO склонны потреблять более калорийную пищу. Эффект подобного генетического варианта легко модулируется физической активностью и сбалансированным питанием.

Несмотря на возможные генетические предрасположенности к ожирению, диабету, сердечно-сосудистым заболеваниям и раку, показано, что факторы окружающей среды играют существенную роль при развитии вышеперечисленных патологий [7]. Поэтому ВОЗ были составлены базовые рекомендации для поддержания здоровья: употребление разнообразных фруктов и овощей в течении дня, снижение потребления насыщенных и транс-жиров, копченостей, соленой пищи; умеренное употребление алкоголя; активный образ жизни; поддержание нормального веса.

Различные исследования подтвердили обратную зависимость между употреблением овощей и фруктов и частотой онкологических заболеваний [37], [38]. Кроме того, накапливающиеся данные о благотворном влиянии на здоровье и долголетие рациона с низким содержанием животных белков уже сегодня заставляют диетологов выстраивать новую систему сбалансированного питания.

Однако для полноценного представления о механизмах влияния составляющих пищи (а также их комбинаций) на организм, и возможных разбросах такого влияния среди человеческой популяции предстоит еще сделать много работы. Существует ряд проблем, которые необходимо решить для получения достоверной информации и внедрения нутригеномики/нутригенетики в повседневную жизнь.

Нутригеномика: от пищи к генам

Экспрессия генов — это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена преобразуется в функциональный продукт — РНК или белок. Экспрессия генов регулируется на разных стадиях, но главный «контрольный пункт» — это начало транскрипции (синтеза РНК на матрице ДНК).

Инициация транскрипции зависит как от наличия необходимых белков (транскрипционные факторы, ферменты и пр.), так и от доступности (сродства) ДНК для этих белков (т.е. от эпигенетических модификаций). Компоненты пищи способны влиять на оба процесса [6], [7].

Перспективы

Ожидается, что вклад нутригеномики и нутригенетики в здравоохранение в следующем десятилетии будет очень значительным. Установление молекулярных механизмов взаимодействия «пища—гены» и выявление ранних маркеров нарушений в метаболизме позволит проводить эффективное превентивное лечение.

1. Francisco de Assis Guedes de Vasconcelos. (2021). A ciência da nutrição em trânsito: da nutrição e dietética à nutrigenômica. Rev. Nutr.. 23, 935-945;
2. V. S. Neeha, Priyamvadah Kinth. (2021). Nutrigenomics research: a review. J Food Sci Technol. 50, 415-428;
3. Willett W.C. (2002). Balancing life-style and genomics research for disease prevention. Science. 296, 695–698;
4. Геном человека: как это было и как это будет;
5. Важнейшие методы молекулярной биологии и генной инженерии;
6. Michael Müller, Sander Kersten. (2003). Opinion: Nutrigenomics: goals and strategies. Nat Rev Genet. 4, 315-322;
7. Michael Fenech, Ahmed El-Sohemy, Leah Cahill, Lynnette R. Ferguson, Tapaeru-Ariki C. French, et. al.. (2021). Nutrigenetics and Nutrigenomics: Viewpoints on the Current Status and Applications in Nutrition Research and Practice. J Nutrigenet Nutrigenomics. 4, 69-89;
8. Melinda Myzak, Roderick Dashwood. (2006). Histone Deacetylases as Targets for Dietary Cancer Preventive Agents: Lessons Learned with Butyrate, Diallyl Disulfide, and Sulforaphane. CDT. 7, 443-452;
9. Poirier L.A. (1986). The role of methionine in carcinogenesis in vivo. Adv. Exp. Med. Biol. 206, 269–282;
10. M. Fenech. (2005). The Genome Health Clinic and Genome Health Nutrigenomics concepts: diagnosis and nutritional treatment of genome and epigenome damage on an individual basis. Mutagenesis. 20, 255-269;
11. R. A. Waterland, R. L. Jirtle. (2003). Transposable Elements: Targets for Early Nutritional Effects on Epigenetic Gene Regulation. Molecular and Cellular Biology. 23, 5293-5300;
12. Развитие и эпигенетика, или История о Минотавре;
13. Эпигенетика: невидимый командир генома;
14. Scholl T.O. and Johnson W.G. (2000). Folic acid: influence on the outcome of pregnancy. Am. J. Clin. Nutr. 71, 1295S—1303S;
15. Régine P. Steegers-Theunissen, Sylvia A. Obermann-Borst, Dennis Kremer, Jan Lindemans, Cissy Siebel, et. al.. (2009). Periconceptional Maternal Folic Acid Use of 400 µg per Day Is Related to Increased Methylation of the IGF2 Gene in the Very Young Child. PLoS ONE. 4, e7845;
16. Alejo Efeyan, William C. Comb, David M. Sabatini. (2021). Nutrient-sensing mechanisms and pathways. Nature. 517, 302-310;
17. Fenech M., El-Sohemy A., Cahill L., Ferguson L.R., French T.A., Tai E.S. et al. (2021). Nutrigenetics and nutrigenomics: viewpoints on the current status and applications in nutrition research and practice. J. Nutrigenet. Nutrigenomics. 4, 69–89;
18. David J. Mangelsdorf, Carl Thummel, Miguel Beato, Peter Herrlich, Günther Schütz, et. al.. (1995). The nuclear receptor superfamily: The second decade. Cell. 83, 835-839;
19. Gordon A. Francis, Elisabeth Fayard, Frédéric Picard, Johan Auwerx. (2003). Nuclear Receptors and the Control of Metabolism. Annu. Rev. Physiol.. 65, 261-311;
20. Старческие капризы природы: почему люди прекращают стареть, а мыши не успевают жить;
21. Morgan E. Levine, Jorge A. Suarez, Sebastian Brandhorst, Priya Balasubramanian, Chia-Wei Cheng, et. al.. (2021). Low Protein Intake Is Associated with a Major Reduction in IGF-1, Cancer, and Overall Mortality in the 65 and Younger but Not Older Population. Cell Metabolism. 19, 407-417;
22. Solon-Biet S.M., Mitchell S.J., de Cabo R., Raubenheimer D., Le Couteur D.G., Simpson S.J. (2021). Macronutrients and caloric intake in health and longevity. J. Endocrinol. 226, R17–R28;
23. Kris Verburgh. (2021). Nutrigerontology: why we need a new scientific discipline to develop diets and guidelines to reduce the risk of aging-related diseases. Aging Cell. 14, 17-24;
24. Нутригеронтология: питание vs. старение;
25. Рыба жизни. Когда не только геном определяет продолжительность жизни;
26. Ryota Hosomi, Kenji Fukunaga, Hirofumi Arai, Seiji Kanda, Toshimasa Nishiyama, Munehiro Yoshida. (2021). Effect of combination of dietary fish protein and fish oil on lipid metabolism in rats. J Food Sci Technol. 50, 266-274;
27. L. A. Davidson. (2004). Chemopreventive n-3 Polyunsaturated Fatty Acids Reprogram Genetic Signatures during Colon Cancer Initiation and Progression in the Rat. Cancer Research. 64, 6797-6804;
28. Alan R. Tall, Laurent Yvan-Charvet. (2021). Cholesterol, inflammation and innate immunity. Nat Rev Immunol. 15, 104-116;
29. Vandana Dhaka, Neelam Gulia, Kulveer Singh Ahlawat, Bhupender Singh Khatkar. (2021). Trans fats—sources, health risks and alternative approach – A review. J Food Sci Technol. 48, 534-541;
30. Jiandie Lin, Ruojing Yang, Paul T. Tarr, Pei-Hsuan Wu, Christoph Handschin, et. al.. (2005). Hyperlipidemic Effects of Dietary Saturated Fats Mediated through PGC-1β Coactivation of SREBP. Cell. 120, 261-273;
31. Dariush Mozaffarian, Martijn B. Katan, Alberto Ascherio, Meir J. Stampfer, Walter C. Willett. (2006). Trans Fatty Acids and Cardiovascular Disease. N Engl J Med. 354, 1601-1613;
32. A. Georgiadi, S. Kersten. (2021). Mechanisms of Gene Regulation by Fatty Acids. Advances in Nutrition: An International Review Journal. 3, 127-134;
33. Ordovas J.M., Corella D., Cupples L.A., Demissie S., Kelleher A., Coltell O. et al. (2002). Polyunsaturated fatty acids modulate the effects of the APOA1 G-A polymorphism on HDL-cholesterol concentrations in a sex-specific manner: the Framingham Study. Am. J. Clin. Nutr. 75, 38–46;
34. Jose M. Ordovas, Dolores Corella. (2004). NUTRITIONAL GENOMICS. Annu. Rev. Genom. Hum. Genet.. 5, 71-118;
35. Nuno N.B. and Heuberger R. (2021). Nutrigenetic associations with cardiovascular disease. Rev. Cardiovasc. Med. 15, 217–225;
36. Marilyn C Cornelis, Ahmed El-Sohemy. (2007). Coffee, caffeine, and coronary heart disease. Current Opinion in Lipidology. 18, 13-19;
37. Voorrips L.E., Goldbohm R.A., Verhoeven D.T., van Poppel G.A., Sturmans F., Hermus R.J., van den Brandt P.A. (2000). Vegetable and fruit consumption and lung cancer risk in the Netherlands Cohort Study on diet and cancer. Cancer Causes Control. 11, 101–115;
38. Riboli E. and Norat T. (2003). Epidemiologic evidence of the protective effect of fruit and vegetables on cancer risk. Am. J. Clin. Nutr. 78, 59S–56S;
39. Lydia Afman, Michael Müller. (2006). Nutrigenomics: From Molecular Nutrition to Prevention of Disease. Journal of the American Dietetic Association. 106, 569-576.

Правильный режим питания  — фгбу «нмиц тпм» минздрава россии

Проблемы

Отдельно взятый прием пищи оказывает слабое влияние на организм, поэтому при проведении нутригеномных исследований очень важна длительность употребления нутриентов, что усложняет проведение экспериментов. Для анализа изменений в экспрессии генов и метаболизма клетки используются следующие методы: эпигенетический анализ и анализ клеточных мРНК (транскриптома), белков (протеома) и метаболитов (метаболома) (рис. 5).

К сожалению, на сегодняшний день методы получения протеома и метаболома дороги и развиты недостаточно, а количество мРНК не всегда пропорционально количеству белка в клетке и не дает информации об активности белка. Кроме того, для исследований требуется достаточно большое количество биологического материала, поэтому анализируется, в основном, кровь, в частности, белые кровяные клетки (жировая и мышечная ткани — на втором месте), но до сих пор неизвестно, насколько точно они отражают ранние нарушения в метаболизме [39].

Несмотря на то, что пока не накоплено достаточного объема достоверной информации для внедрения нутригеномики и нутригенетики в повседневную жизнь, уже существуют компании, предлагающие нутригенетические тесты (правительство США выпустило отчет об опасности и недостоверности таких тестов).

Профилактика неинфекционных заболеваний

Транскрипционные факторы

Второй механизм, посредством которого пища изменяет экспрессию генов, иллюстрирует следующая схема: «компонент пищи → рецептор → сигнальный путь → транскрипционный фактор → включение генов» [6], [16] (рис. 3). Рецепторы распознают строго определенную структуру веществ, поэтому схожие по строению компоненты пищи различно воздействуют на организм (например, насыщенные и ненасыщенные жиры).

В данной схеме возможны небольшие вариации, например, ядерные рецепторы совмещают в себе функции рецептора и транскрипционного фактора: они распознают различные гидрофобные компоненты еды или их производные (жирные кислоты, витамин D, ретиноевую кислоту, желчные соли и пр.), а затем изменяют активность регулируемых ими генов [17–19].

Пища состоит из белков, углеводов и жиров. Компоненты пищи расщепляются в процессе пищеварения до более простых веществ (аминокислоты, моносахара, жирные кислоты), которые далее транспортируются в клетки и связываются рецепторами. Сигнал от рецептора распространяется по клетке, доходит до ядра и экспрессия генов изменяется.

Белки в пищеварительном тракте распадаются до аминокислот, которые затем транспортируются внутрь клеток. В клеточной цитоплазме плавает молекула mTOR (mammalian target of rapamycin), которая активируется высокой концентрацией аминокислот и регулирует многочисленные аспекты метаболизма в клетке.

Примечательно, что сигнальный путь mTOR — консервативный биохимический путь, регулирующий старение у животных. Генетические мутации, ослабляющие сигнал mTOR-пути, продлевают жизнь червей, мушек и мышей [20]. Поскольку mTOR активируется аминокислотами, то можно ожидать, что рацион с ограниченным содержанием белков будет благоприятно сказываться на здоровье и долголетии.

Действительно, потребление малого количества белков или метионина (незаменимой аминокислоты) повышает продолжительность жизни у модельных животных [21]. У людей диета с низким соотношением белков и углеводов снижает риск развития рака, ожирения и нейродегенеративных заболеваний [22].

Согласно исследованиям, люди пожилого возраста (50–65 лет), получающие из белков более 20% суточных калорий в четыре раза (!) чаще умирают от рака, а уровень их общей смертности на 75% выше по сравнению с людьми, соблюдающими низкобелковую диету (т.е.

менее 10% суточных калорий) [23]. Интересно, что корреляция между употреблением растительных белков и уровнем смертности не выявлена. Считается, что это обусловлено аминокислотным составом растительных белков, которые содержат меньше метионина и цистеина [23].

Углеводы в процессе пищеварения расщепляются до моносахаров; самый известный представитель этого класса — глюкоза. Повышение уровня глюкозы в крови вызывает выработку гормона инсулина. Инсулин улавливается рецепторами на поверхности клеток, что приводит к активации сигнального пути IIS (Insulin/Insulin-like grow factorSignaling), который запускает поглощение клетками глюкозы, а также стимулирует клеточный рост и деление.

Сигнальный путь IIS тесно переплетен с путем mTOR, соответственно, уровень его активации имеет последствия для здоровья и продолжительности жизни. Мыши, гетерозиготные по рецептору IGF-1 (Insulin-like grow factor) (Igf1r /−), в среднем, жили на 26% дольше, чем их гомозиготные братья (Igf1r / ).

Что касается людей, то генетические полиморфизмы, снижающие уровень сигнала IIS-пути, ассоциированы с долголетием [23]. Многочисленные исследования демонстрируют, что ограничение калорий у животных снижает уровень IGF в крови; вместе с IGF падает и риск развития атеросклероза, рака и прочих болезней [22].

У людей голодание несколько дней в неделю (потребление менее 25% от суточной нормы калорий) улучшает такие маркеры сердечно-сосудистых заболеваний, как уровень холестерина (ЛПНП) в крови и чувствительность к инсулину [23].

Жиры перерабатываются до жирных кислот, моноглицеридов и глицерина. Биохимические эффекты жирных кислот активно исследуются в нутригеномике, так как они запускают множество сигнальных путей, и многие заболевания связаны именно с нарушением липидного обмена.

Полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК). ПНЖК содержатся в оливковом масле, семечках, тунце, лососе. ПНЖК необходимы для нормальной работы организма, их употребление благотворно влияет на работу сердечно-сосудистой и нервной систем [25].

Внутри клетки ПНЖК распознаются ядерными рецепторами PPAR (peroxisome proliferator—activated receptors), которые также выполняют функции транскрипционных факторов и регулируют гены метаболизма. Активация PPARα в печени способствует катаболизму жиров в организме (т.е. их утилизации).

Также ПНЖК снижают экспрессию генов, вовлеченных в синтез холестерина и жирных кислот. Особенно полезны для организма омега-3-жирные кислоты, которыми богаты рыбий жир, льняное масло и грецкие орехи. Рыбий жир снижает уровень холестерина в крови и печени [26].

Исследования демонстрируют, что ω-3-жирные кислоты (но не ω-6-ЖК) ингибируют рост ободочного рака кишки in vitro и in vivo[27]. Помимо этого, ω-3-жирные кислоты обладают противовоспалительным действием, так как функционируют в качестве субстратов для синтеза противовоспалительного простагландина E3, протектинов и резолвинов, участвующих в рассасывании воспаления и защите клеток [28].

Транс-жиры. Транс-жиры образуются в пищевой индустрии из ненасыщенных жирных кислот при производстве маргарина, который используется в изготовлении выпечки, крекеров, чипсов и пр. Исследования демонстрируют, что существует прямая зависимость между потреблением транс-жиров и развитием сердечно-сосудистых заболеваний, диабета, ожирения, аллергии, рака груди, а также сокращением периода беременности [29].

В экспериментах, проведенных на мышах, ученые определили, что транс-жиры усиливают в печени экспрессию PGC-1 — ключевого регулятора липидного обмена. Это способствует экскреции липопротеинов низкой плотности в кровь и отложению холестерина в сосудах [30].

Эпигенетические модификации

Все клетки нашего организма — от нейронов до лейкоцитов — несут одинаковый генетический материал. Но в каждой клетке экспрессируется специфический набор генов — это определяет специализацию клеток. Включение/выключение генов регулируется эпигенетическими модификациями (такие модификации не затрагивают последовательность ДНК, но меняют ее «обвеску»).

В клетке ДНК компактизирована, т.е. намотана на «бусины» — комплекс белков гистонов, различные химические модификации которых включают или выключают ген. Помимо этого, выключение генов происходит при модификации непосредственно молекулы ДНК (метилирование).

Некоторые компоненты пищи влияют на эти процессы (рис. 2):

1. Ацетилирование гистонов (включение гена). Сульфарафан (содержащийся в капусте, брокколи, цветной капусте) и диаллилдисульфид (из чеснока) — включают гены, подавляя ферменты, которые репрессируют ген посредством снятия ацетильной метки с гистонов. Поэтому сульфарафан способен включать молчащие в раковых клетках гены — регулировщики нормального деления, что подавляет рост опухоли. Масляная кислота, которая образуется микрофлорой человека при употреблении клетчатки, оказывает аналогичное влияние на работу генов, а также активирует иммунную систему, что подавляет рост раковых клеток. Ингибирующее действие масляной кислоты на метастазирование было показано у крыс на модели рака прямой кишки [8].
2. Метилирование ДНК (выключение гена). Источники метильных групп (холин, метионин, фолиевая кислота) содержатся в яйцах, шпинате, бобовых и печени. У взрослых крыс хронический дефицит метильных групп влечет за собой спонтанное образование опухолей [9], а также ведет к активации мобильных элементов генома [10]. Широко известен эксперимент, проведенный Джиртлом и Уотерлэндом, с трансгенными грызунами агути (A^vy agouti), которые имеют желтую окраску и предрасположенность к ожирению, диабету и раку. При добавлении в корм беременным самкам агути холина, метионина и фолиевой кислоты у них рождалось нормальное потомство с коричневой окраской шерсти и без отклонений в здоровье [11]. Дело в том, что присутствие источников метильных групп в пище матери способствовало метилированию (и, соответственно, выключению) гена agouti, вызывавшего болезненный фенотип у эмбрионов .
3. Для нормального развития плода и протекания беременности у женщин необходимы источники метильных групп, в частности, фолиевая кислота. При ее дефиците повышается риск преждевременных родов, выкидышей, а также возможны патологии в нервной системе плода и низкий вес новорожденного [14]. Точные механизмы действия фолиевой кислоты до сих пор не ясны, известно лишь, что усиливается метилирование гена IGF2 (инсулиноподобного фактора роста 2), участвующего в росте и развитии плода [15].