Διατροφογενετική και διατροφογενωμική της Παχυσαρκίας

Χάρης Κανδηλώρος,Ενδοκρινολόγος,Διαβητολόγος
Διδάκτωρ. Τ. επιμελητής Πανεπιστημίου Nancy
[email protected]

Για να είναι εύληπτο το παρόν θέμα που πραγματεύεται τις αλληλεπιδράσεις της γενετικής με την διατροφή, ιδιαίτερα στο πεδίο της παχυσαρκίας, απαιτούνται βασικές γνώσεις γενετικής, γνώσεις διατροφής, αλλά και γνώσεις της γενετικής της παχυσαρκίας.

Επειδή είναι πιθανόν μερικοί όροι είτε να έχουν λησμονηθεί είτε να είναι αρκετά εξειδικευμένοι, καθιστώντας τον κύριο κορμό του κειμένου δυσνόητο, παρατίθεται μια σύντομη εισαγωγική επανάληψη.

1. Βασικοί «γενετικοί» όροι

Γονιδίωμα είναι το σύνολο του γενετικού υλικού (DNΑ) που βρίσκεται στον πυρήνα του κυττάρου.

Αν συνδυαστούν ένα φωσφορικό οξύ με μια δεσοξυριβόζη (πεντόζη = σάκχαρο με 5 άνθρακες) και μια αζωτούχος βάση πουρίνη (θυμίνη, κυτοσίνη) ή πυριμιδίνη (αδενίνη, γουανίνη) προκύπτει ένα νουκλεοτίδιο.

Το DNΑ έχει διπλή αλυσίδα και οι αντικριστές βάσεις είναι πάντα η γουανίνη με κυτοσίνη και η θυμίνη με αδενίνη. Αντίθετα, επί της ιδίας αλυσίδας, η γουανίνη σπάνια βρίσκεται σε άμεση γειτνίαση με την κυτοσίνη. Τα δινουκλεοτίδια CpG λοιπόν είναι σπάνια στο DNA. Ωστόσο υπάρχουν περιοχές όπου αυτά τα δινουκλεοτίδια είναι περισσότερα και τέτοιες περιοχές περιγράφονται με τον όρο «νησίδια CpG» και απαντώνται συχνά γύρω από τους εκκινητές promoters.

Το DNA βρίσκεται μέσα στον πυρήνα υπό μορφή συσκευασμένη και περιελιγμένη που ονομάζουμε χρωμόσωμα. Η περιέλιξη του DNA γίνεται σαν νήμα τυλιγμένο γύρω από ένα οκταμερή πυρήνα που αποτελείται από ζεύγη τεσσάρων αλκαλικών πρωτεϊνών, που είναι οι ιστόνες Η2Α, Η2Ν, Η3 ΚΑΙ Η4. Το σύνολο ονομάζεται νουκλεόσωμα.

Το DNA υφίσταται αντιγραφή (replication) στην διάρκεια της κυτταρικής διαίρεσης με την βοήθεια του ενζύμου DNA πολυμεράση. Υφίσταται επίσης μεταγραφή (transcription) σε mRNA χάρις στο ένζυμο RNA πολυμεράση. Αυτό το ένζυμο χρειάζεται μια μικρή τοποθεσία σύνδεσης (binding site) στο DNA δίπλα στο γονίδιο που θα μεταγράψει. Αυτό το τμήμα του DNA ονομάζεται γονίδιο εκκινητής ή υποκινητής (promoter).

Ιντρόνια (introns) ονομάζονται οι περιοχές του γονιδιώματος που αφαιρούνται από το mRNA σε μια διαδικασία γνωστή ως συγκόλληση (splicing). Οι περιοχές που κωδικοποιούν πραγματικά το προϊόν των γονιδίων, είναι γνωστές ως εξόνια (exons).

Στη συνέχεια το mRNA κινείται στο ριβόσωμα, όπου θα λάβει χώρα η μετάφραση (traduction). Εκεί παίρνει τη σκυτάλη το tRNA το οποίο θα μεταφέρει τα αμινοξέα με την απαραίτητη σειρά για την σύνθεση των πρωτεινών. Κωδικόνιο (codon) είναι μια ακολουθία τριών βάσεων στο mRNA και κωδικοποιεί για συγκεκριμένο αμινοξύ.

Η αλληλουχία του DNA μπορεί να αλλάξει φυσιολογικά σε τρεις περιπτώσεις: 1) κατά την σεξουαλική αναπαραγωγή με τον γενετικό ανασυνδυασμό που λαμβάνει χώρα μεταξύ ομολόγων χρωματοσωμάτων σε κάθε μειωτική διαίρεση και δίνει γέννηση σε ένα νέο γονιδίωμα, 2) με μικρές γενετικές αλλαγές (genetic variations) ή, πολύ σπανιότερα, 3) με μεταλλάξεις. Τις μικρές αυτές γενετικές παραλλαγές, που συνήθως αφορούν ένα μεμονωμένο νουκλεοτίδιο, ονομάζουμε «σνιπ» (SNP single nucleotide polymorphism ή SGNP).

Έτσι υπάρχει η δυνατότητα να έχουμε δύο (και συνήθως όχι περισσότερους από δύο) αλληλομόρφους (alleles) για μια γονιδιακή θέση (gene locus). Απλότυπος λέγεται μια ομάδα αλληλομόρφων που κληρονομούνται μαζί.

Στις 16 Οκτωβρίου 2014, η βάση δεδομένων SNP περιείχε πάνω από εκατό εκατομμύρια (για την ακρίβεια 112.736.879) SNPs για τον άνθρωπο, και φυσικά συνεχίζει να εμπλουτίζεται.

Αυτός ο μονονουκλεϊδικός πολυμορφισμός εξηγεί και το μεγαλύτερο μέρος των μικροδιαφορών μεταξύ των ανθρώπων. Το γονιδίωμα μας είναι όμοιο κατά 99,9%. Οι διαφορές που αφορούν εξωτερικά χαρακτηριστικά (μάτια, μαλιά κλπ), διατροφικές ανάγκες και προδιάθεση σε χρόνια νοσήματα περιορίζονται στο 0,1%.

Οι πλουσιότατη βιβλιογραφία που εμφανίστηκε και συνεχίζει να κοινοποιείται αναφορικά με την σχέση διατροφής και γενετικής περιστρέφεται γύρω από τρεις βασικές λέξεις κλειδιά: διατροφογενετική, επιγενετική και διατροφογενωμική. Οι τρεις ορισμοί είναι σαφείς και οι έννοιες λεπτές.

2. Διατροφογενετική (Nutrigenetics)

Η διατροφογενετική μελετάει πώς γενετικές διαφορές, οφειλόμενες για παράδειγμα σε ένα μεμονωμένο νουκλεοτίδιο (σνιπς), δίνουν διαφορετική απάντηση σε ίδια συστατικά της τροφής.

Ακολουθούν μερικά κλασικά παραδείγματα διατροφογενετικής.

1 Φαινυλκετονουρία

Η φαινυλαλανίνη μετατρέπεται σε τυροσίνη χάρις στο ένζυμο υδροξυλάση της φαινυλαλανίνης (ΡΑΗ). Στην φαινυλκετονουρία υπάρχει μια ανωμαλία γενετική στο xρωμόσωμα 12q24.1 με αποτέλεσμα ανεπάρκεια του ενζύμου ΡΑΗ και συσσώρευση της φαινυλαλανίνης η οποία έχει τοξική δράση στον εγκέφαλο. Αν η διατροφή δεν περιέχει φαινυλαλανίνη, δεν εμφανίζονται τα χαρακτηριστικά συμπτώματα της νόσου.
2 Δυσανεξία στην λακτόζη

Η λακτόζη με τη βοήθεια του ενζύμου λακτάση μετατρέπεται σε γαλακτόζη και γλυκόζη.

Σε 80% των ενηλίκων Ευρωπαίων έχει επικρατήσει ένα σνιπ (SNP) στη θέση -13,910 του ιντρονίου 13 του γονότυπου MCM6, που βρίσκεται σε απόσταση 1,9 kb από το εξόνιο 1 του εκκινητή του γονότυπου της λακτάσης. Η κυτοσίνη C αντικαθίσταται από θυμίνη Τ, με αποτέλεσμα τα ομοζύγωτά άτομα ΤΤ ή τα ετεροζυγωτά CT να έχουν καλύτερη έκφραση του εκκινητή και λειτουργικό ένζυμο λακτάσης. Αντίθετα στα άτομα που είναι ομοζυγωτά CC παρατηρείται έλλειψη λακτάσης, η λακτόζη δεν διασπάται, δεν αφομιώνεται και συνεχίζει την πορεία της στο παχύ έντερο προκαλώντας διάρροια και άλλα εντερικά συμπτώματα. Αν η διατροφή δεν περιέχει λακτόζη δεν εκφράζεται φαινοτυπικά η νόσος.

3 Κοιλιοκάκη

Η πρωτεΐνη γλιαδίνη που υπάρχει στα περισσότερα δημητριακά τροποποιείται από το ένζυμο τρανσγλουταμινάση. Οι περισσότεροι ασθενείς με κοιλιοκάκη έχουν είτε τον αλληλόμορφο HLA-DQ2 ή λιγότερο συχνά τον HLA-DQ8 και αντιδρούν στην γλιαδίνη με αποτέλεσμα μία φλεγμονώδη αντίδραση η οποία προκαλεί την περικοπή των λαχνών του λεπτού εντέρου. Αν η διατροφή δεν περιέχει γλουτένη, τότε δεν εμφανίζονται τα συμπτώματα της νόσου.

4 Αλκοόλ

Το ένζυμο αλκοολική αφυδρογονάση (ΑDH) καταλύει την μετατροπή της αιθυλικής αλκοόλης σε ακεταλδεύδη και το ένζυμο αφυδρογονάση της ακεταλδεΰδης (ALDΗ) την οξείδωση της ακεταλδεΰδης.

Στην καυκάσια φυλή υπερτερούν οι αλληλόμορφοι ADH1B*1 ή ADH1C*2 με αργή ενζυματική κινητική και ALDH1A1*2 με φυσιολογική ενζυματική δράση. Οι περισσότεροι ασιάτες αντίθετα, έχουν τους αλληλόμορφους ADH1B*2 και ADH1C*1 που χαρακτηρίζονται από ταχεία ενζυματική δραστηριότητα και ALDH1A2*2 που έχει ανεπαρκή δραστηριότητα, με αποτέλεσμα να παράγεται περισσότερη ακεταλδεΰδη και αυτή να συσσωρεύεται. Η ακεταλδεΰδη είναι υπεύθυνη για τις ανεπιθύμητες δράσεις του οινοπνεύματος στον οργανισμό. Εννοείται ότι εάν δεν υπάρχει λήψη οινοπνεύματος, τότε δεν υπάρχει και αντίστοιχη συμπτωματολογία.

5 Καφείνη

Η καφεΐνη μεταβολίζεται από το κυτόχρωμα 450 στο ήπαρ. Ο αλληλόμορφος CYP1A2 ομοζυγωτός -163Α παρουσιάζει αυξημένη ενζυματική κινητική, ενώ ο CYP1A2 -163C μικρή. Τα άτομα με μειωμένη ενζυματική κινητική έχουν μεγαλύτερο χρόνο δράσης της καφείνης στον οργανισμό και αύξηση του κινδύνου εμφράγματος μυοκαρδίου.

6 Φολικό οξύ

Το φολικό οξύ (βιταμίνη Β9) μετατρέπεται σε ΤΗF (tetrahydro folate) και αυτό με τη σειρά του σε 5,10 MTHF (5,10-methylene tetrahydrofolate).

To ένζυμο MTHFR (MTHF Reductase) καταλύει την μετατροπή του 5,10 MTHF σε 5 ΜΤΗF (5-methyl tetrahydrofolate) και το ένζυμο 5 ΜΤΗF μετατρέπει την ομοκυστεϊνη σε μεθιονίνη.

ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 1 ΚΑΙ 2

Το γονίδο του ενζύμου MTHF Reductase βρίσκεται στο χρωμόσωμα 1. Οι περισσότεροι άνθρωποι έχουν στο νουκλεοτίδιο 677 την βάση κυτοσίνη (677C), που κωδικοποιεί την παραγωγή ενζύμου κανονικού, που έχει δηλαδή το αμινοξύ αλανίνη στην θέση 222 (222Ala). Σε 10-15% των Ευρωπαίων όμως υπάρχει ο αλληλόμορφος 677Τ με θυμίνη στη θέση 677 αντί της κυτοσίνης και παραγωγή ενζύμου 222Val, δηλαδή με βαλίνη αντί για αλανίνη. Το ένζυμο με 222Val είναι πιο θερμοευαίσθητο και έχει μειωμένη δραστηριότητα κατά 65%, ειδικά αν είναι ομόζυγο με αποτέλεσμα να καταλύει λιγότερο αποτελεσματικά την μετατροπή της ομοκυστείνης σε μεθιονίνη, οπότε προκύπτει στα άτομα αυτά ελαφρά υπερ ομοκυστεϊναιμία η οποία έχει αθηρογόνο δράση. Αυτό επιτείνεται όταν η τροφή είναι πτωχή σε φολικό οξύ και βελτιώνεται με την χορήγηση φολικού οξέως.

Συμπέρασμα: υπάρχουν φυλές, ή υποομάδες πληθυσμού οι οποίες έχουν μια γενετική ιδιαιτερότητα, με αποτέλεσμα την εμφάνιση νόσου, μόνον εάν ακολουθούν τις διατροφικές συνήθειες της πλειοψηφίας, ή άλλες συνήθειες «παγκοσμιοποιημένης διατροφής». Η νόσος παραμένει σε υποκλινικό ασυμπτωματικό επίπεδο εάν η διατροφή τους δεν περιλαμβάνει μια συγκεκριμένη τροφή ή εάν αυτή λαμβάνεται σε μεγαλύτερη ή μικρότερη ποσότητα.

* Διατροφογενετική και παχυσαρκία.

Οι μελέτες που αφορούν την διατροφογενετική της παχυσαρκίας είναι πολλές, αλλά τρία είναι τα πεδία με την πλουσιότερη βιβλιογραφία.

1 ApoAII (Απολιποπρωτείνη ΑΙΙ)

Η ApoΑΙΙ είναι η δεύτερη σημαντικότερη λιποπρωτεΐνη της HDL χοληστερόλης. Το γονίδιο ΑpoA2 που την κωδικοποιεί βρίσκεται στο χρωμόσωμα 1. Συνήθως στην περιοχή του εκκινητή (promoter) στη θέση 265 υπάρχει θυμίνη Τ. Στις ΗΠΑ και στις Μεσογειακές χώρες απαντά όμως σε 11-15% ατόμων και ο αλληλόμορφος CC ο οποίος έχει δύο κυτοσίνες CC και χαρακτηρίζεται από 30% χαμηλότερα επίπεδα μεταγραφής και χαμηλότερη περιεκτικότητα ApoΑΙΙ στο αίμα. Το σημαντικό όμως είναι ότι όταν άτομα με αυτό τον αλληλόμορφο ΑpoA2 265 CC, που αναφέρεται στην βιβλιογραφία και ως πολυμορφισμός -265T>C, λαμβάνουν διατροφή πλούσια σε κεκορεσμένα λίπη (> 22 γρ/μ) παρουσιάζουν 6,8% υψηλότερο ΒΜΙ σε σύγκριση με άτομα με τον αλληλόμορφο ΤC ή ΤΤ (1).

2 PPAR-γ (Peroxisome proliferator activator receptor-γ)

Ο PPAR-γ είναι ένας πυρηνικός υποδοχέας, που υπάρχει κυρίως στα λιποκύτταρα, αλλά και τον μυϊκό ιστό και το ήπαρ. Ένας συνδέτης (ligand), συνήθως ένα λιπαρό οξύ, προσδένεται στον PPARγ και τον ενεργοποιεί. Ο PPRγ σχηματίζει ένα διμερές με τον ρετινοϊκό υποδοχέα RXR. To σύμπλεγμα PPARγ-RXR αναγνωρίζει και συνδέεται με έναν εκκινητή (promoter) της μεταγραφής του DNA, τον PPRE. Ο PPAR-γ προάγει την λιπογένεση και την διαφοροποίηση λιποκυττάρων.

Υπάρχει ένας αλληλόμορφος που προκύπτει όταν στο κωδικόνιο 12 αντικατασταθεί η προλίνη (Pro) από μια αλανίνη (Ala). Το ΒΜΙ ατόμων με PPAR-γ Pro12Ala όταν λαμβάνουν διατροφή πλούσια σε λιπαρά δεν αυξάνει τόσο όσο των ομοζυγωτικών PPAR-γ Pro/Pro, και επίσης όταν λαμβάνουν μονοακόρεστα λιπαρά το ΒΜΙ μειώνεται (2).

3 FTO (Fat mass and obesity-associated)

Ο FTO είναι ένας από τους σημαντικότερους γενετικούς παράγοντες της παχυσαρκίας.

Ο αλληλόμορφος FTO rs9939609 στην περιοχή του πρώτου ιντρονίου μπορεί αντί να έχει δύο θυμίνες ΤΤ να είναι ετερόζυγος AΤ ή ομόζυγος ΑΑ (με αλανίνη). Στις δύο αυτές περιπτώσεις και ειδικά στην ομοζυγωτή μορφή ΑΑ υπάρχει μεγαλύτερη λήψη θερμίδων και συνεπώς μεγαλύτερος κίνδυνος παχυσαρκίας.

Αυτό που έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον όμως είναι ότι υπερλιπιδική διατροφή αυξάνει σημαντικά τον κίνδυνο παχυσαρκίας, ενώ η φυσική άσκηση μειώνει τον κίνδυνο (3, 4).

Συμπέρασμα: η διατροφή πλούσια σε λίπη προάγει την παχυσαρκία σε όλους τους ανθρώπους, αλλά σε μεγαλύτερο βαθμό σε όσους διαθέτουν κάποιο ιδιαίτερο αλληλόμορφο. Πιο επιρρεπή στην παχυσαρκία φαίνεται να είναι όσα άτομα έχουν FTO rs9939609 ΑΑ, ΑpoA2 265 CC και PPAR-γ Pro/Pro.

2. Επιγενετική (Epigenetics)

Επιγενετική είναι η μελέτη των αλλαγών που συμβαίνουν στην έκφραση των γονιδίων χωρίς αλλαγές στην αλληλουχία του DNA.

Μόνον 2% του ανθρώπινου γονιδιώματος κωδικοποιεί για την παραγωγή συγκεκριμένων πρωτεϊνών. Το υπόλοιπο 98% περιλαμβάνει ρυθμιστικά στοιχεία που εποπτεύουν την έκφραση αυτών των γονιδίων. Επιγενετικές αλλαγές στην έκφραση των γονιδίων είναι ο φυσιολογικός μηχανισμός δημιουργίας εξειδικευμένων κυττάρων στον οργανισμό. Στον οργανισμό υπάρχουν περίπου 200 διαφορετικού τύπου κύτταρα που διαθέτουν όλα το ίδιο ακριβώς DNA. Κάθε διαφορετικό είδος κυττάρου αποκωδικοποιεί μόνο ένα τμήμα του DNA προκειμένου να μετατραπεί είτε σε ηπατικό, είτε σε δερματικό, είτε σε μυϊκό κ.ο.κ. με αντίστοιχες και διαφορετικές λειτουργίες και ιδιότητες.

Περιβαλλοντικοί εξωγενείς παράγοντες μπορούν να προκαλέσουν επιγενετικές αλλαγές στο γονιδίωμα. Ο όρος που όλο και συχνότερα χρησιμοποιείται για να εκφράσει αυτό το γεγονός είναι «αναπτυξιακή πλαστικότητα» (Developmental Plasticity).

Έτσι εξηγούνται οι φαινοτυπικές διαφορές αλλά και η διαφορετική ευαισθησία σε ασθένειες που υπάρχουν στους ομοζυγωτικούς διδύμους.

Οι επιγενετικές αλλαγές μπορεί να είναι μόνιμες και κληρονομήσιμες.

Υπάρχουν τρεις βασικοί μηχανισμοί επιγενετικής αλλαγής.

Α. Αυξημένη μεθυλίωση

Η κυτοσίνη μπορεί να υποστεί μεθυλίωση, (δηλαδή να προστεθεί ένα μεθύλιο στη θέση 5΄) χάρις στο ένζυμο μεθυλοτρανσφεράση (DNA methyltransferase DNMT), μόνο αν ακολουθείται από γουανίνη, δηλαδή μόνο στα δινουκλεοτίδια CpG, και ειδικά στα μεμονωμένα CpG και όχι όταν τα δινουκλεοτίδια είναι πολλά, όπως συμβαίνει στα νησίδια CpG. Έτσι είναι μεθυλιωμένα 70-80% των μεμονωμένων CpG και μόνο 10% των CpG των νησιδίων.

Η μεθυλίωση εμποδίζει την μεταγραφή του DNA σε RNA από την RNA πολυμεράση, αλλά εφ’ όσον τα μη μεθυλιωμένα νησίδια CpG βρίσκονται κοντά στους εκκινητές (promoters) δεν εμποδίζεται η έκφραση του γονιδίου.

Συνεπώς, εάν αυξηθεί υπέρμετρα η μεθυλίωση μειώνεται η γενετική έκφραση. Αυτό μπορεί να είναι καλό ή κακό ανάλογα με την πληροφορία που φέρει το γονίδιο, ανάλογα με τη χρονική στιγμή και ανάλογα με τον ιστό όπου εκφράζεται. Για παράδειγμα αν η υπερμεθυλίωση αδρανοποιεί την έκφραση ογκογονιδίου τότε το αποτέλεσμα είναι μειωμένη καρκινογένεση. Αν αντίθετα η υπερμεθυλίωση αδρανοποιεί ένα γονίδιο ογκοκατασταλτικό ή ένα γονίδο DNA-επιδιορθωτικό το αποτέλεσμα είναι αυξημένη καρκινογένεση.

Β. Αλλαγές στις ιστόνες

Η μεθυλίωση των ιστονών Η3 ΚΑΙ Η4, συμβαίνει συνήθως στις λυσίνες 9 και 27 (Η3Κ9, Η3Κ27) και προκαλεί συμπύκνωση και μείωση της μεταγραφής, ενώ η ακετυλίωση οδηγεί σε χαλάρωση και αύξηση της μεταγραφής.

Γ. ΜικροRNA (miRNA)

Τα μικροRNA αποτελούνται συνήθως από 22 νουκλεοτίδια. Πρόκειται για μη κωδικοποιητικό μονής αλυσίδας RNA, που όμως συνδέεται με το mRNA και το εμποδίζει να μεταφραστεί στο ριβόσωμα. Υπάρχουν αρκετές εκατοντάδες miRNA, που μπορούν να συνδεθούν με διαφορετικά τμήματα mRNA.

Οι περισσότερες εφαρμογές της επιγενετικής αφορούν την εμβρυϊκή περίοδο και την νεογνική ηλικία, ιδιαίτερα εάν υπάρχει γαλουχία. Αλλαγές όμως συμβαίνουν και αργότερα. Έρευνες σε ομοζυγωτά δίδυμα άτομα έδειξαν σε νεαρή ηλικία μικρές διαφορές στην μεθυλίωση, που μεγαλώνουν με την ηλικία, ειδικά όταν ζούσαν χωριστά. Η γήρανση φαίνεται ότι συνοδεύεται από υπομεθυλίωση του DNA, αλλά υπερμεθυλίωση των εκκινητών (promoters).

Μεταξύ των περιβαλλοντικών παραγόντων που θα μπορούσαν να επηρεάσουν το γονιδίωμα σημαντική θέση έχει η διατροφή, αλλά και το κάπνισμα, οι παράγοντες της περιβαλλοντικής ρύπανσης, η σωματική δραστηριότητα και φυσικά η εντερική χλωρίδα (microbiota).

4. Διατροφογενωμική

Διατροφογενωμική είναι η μελέτη των επιδράσεων που έχουν τα συστατικά των τροφών στον τρόπο με τον οποίο εκφράζονται τα γονίδιά μας. Είναι τρόπον τινά η διατροφική υποομάδα της επιγενετικής.

Η διατροφή μπορεί να επηρεάσει την μεθυλίωση του DNA, αλλά και την μεθυλίωση και ακετυλίωση των ιστόνων είτε με την παροχή μεθυλιοδοτών, είτε επηρεάζοντας τα εμπλεκόμενα ένζυμα. Οι σημαντικότεροι παράγοντες, εκτός από το φολικό οξύ, είναι το σελήνιο, η Genistein, οι πολυφενόλες και, σε μικρότερο βαθμό, οι βιταμίνες Β6 και Β12, η χολίνη και ο ψευδάργυρος.

Είδαμε ότι το ένζυμο 5 ΜΤΗF μετατρέπει την ομοκυστεϊνη σε μεθιονίνη.

Από την μεθιονίνη προκύπτει η Sadenosyl methionine (SAM), η οποία είναι η βασική πηγή μεθυλίων μέσω του ενζύμου DNA methyl transferase (DNMT), το οποίο ρυθμίζει την μεθυλίωση του DNA.

ΧΗΜΙΚΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ 3

*Διατροφογενωμική και παχυσαρκία

Τα ερωτήματα που τίθενται είναι τα ακόλουθα:

Πώς μπορεί η διατροφή να επηρεάσει τη μεθυλίωση;

Ποιά σημεία του γονιδιώματος, εάν μεθυλιωθούν, προκαλούν παχυσαρκία;

Πώς η μεθυλίωση αυτών των γονιδίων μπορεί να οδηγήσει σε παχυσαρκία;

Σημαντικότεροι “παίκτες” σύμφωνα με τις υπάρχουσες έως τώρα μελέτες αναδεικνύονται τα γονίδια της POMC, του υποδοχέα των γλυκοκορτικοειδών και της λεπτίνης.

POMC

Η POMC έχει ανορεξιογόνο δράση, αντίθετα από το νευροπεπτίδιο Υ (NPY) που έχει ορεξιογόνο. Σε επίπεδο γονιδιώματος ο εκκινητής promoter της POMC περιλαμβάνει 404 ζευγάρια βάσεων εκ των οποίων 21 είναι CpG δινουκλεοτίδια. Υπάρχει μία τοποθεσία σύνδεσης (binding site) καταστολής των παραγόντων μεταγραφής της POMC και 4 τοποθεσίες σύνδεσης (binding site) ενεργοποίησης των παραγόντων μεταγραφής. Από αυτές τις 4 οι δύο σπουδαιότερες είναι η ΝFkB και η Sp1. Η Sp1 εμπλέκεται στην διαμεσολάβηση της επίδρασης της λεπτίνης στην POMC.

Σε επίμυες wister rats δόθηκε υπερθερμιδική διατροφή και παρατηρήθηκε λήψη βάρους, αύξηση της γλυκαιμίας και υπερινσουλιναιμία. Συγχρόνως μελετήθηκε η μεθυλίωση των εκκινητών του NpY και της POMC. Το ΝΡΥ δεν είχε μεταβολή της μεθυλίωσης. Στην POMC ευρέθη υπερμεθυλίωση των CpG 156-152 ανάντι του Sp1 και ΝFkB. Η αύξηση της μεθυλίωσης θα μπορούσε πιθανόν να εξηγηθεί από την υπεργλυκαιμία και την υπερινσουλιναιμία, οι οποίες αυξάνουν την δράση της DNA methyl transferase (DNMT). Η υπερμεθυλίωση αυτή μειώνει την γενετική έκφραση της POMC και άρα την ανορεξιογόνο δράσης της με αποτέλεσμα λήψη βάρους (5).

Η χορήγηση λινολεϊκού οξέως κατά την κύηση σε ποντίκια προκάλεσε αύξηση της λήψης φαγητού στα νεογέννητα, υπερμεθυλίωση του CpG -100 και -103 της τοποθεσίας Sp1 του εκκινητή της POMC και μείωση της γενετικής έκφρασης της POMC (6).

Χορηγήθηκε υπερλιπιδική δίαιτα σε θηλυκούς επίμυες με αποτέλεσμα να αυξηθεί το βάρος τους, να εμφανίσουν υπερμεθυλίωση του εκκινητή της POMC στις θέσεις -202, -166 και -164 και μειωμένη έκφραση του mRNA της POMC. Σε όσους θηλυκούς επίμυες ακολούθησε κύηση παρατηρήθηκε στο τέλος της γαλουχίας απομεθυλίωση μέχρι τα φυσιολογικά επίπεδα και κανονική έκφραση του mRNA της POMC, ενώ παρέμενε ένα ελαφρά υψηλότερο βάρος. Τα νεογένητα των μητέρων που έλαβαν υπερλιπιδική δίαιτα κατά την κύηση παρουσίασαν αυξημένη όρεξη, υψηλότερο βάρος και υπερμεθυλίωση του εκκινητή της POMC στις θέσεις -224, -202, -192, -164, -125 (7).

Σε νεογέννητους επίμυες Wister rats χορηγήθηκε διατροφή πλούσια σε λιπαρά και παρατηρήθηκε υπερμεθυλίωση του CpG -166 στην περιοχή ανάντι του Sp1 του εκκινητή της POMC

Όσα άτομα είχαν λάβει και λεπτίνη (μέσω της προηγηθείσης γαλουχίας) παρουσίασαν αντίθετα υπομεθυλίωση της POMC. Αυτό θα μπορούσε να σημαίνει ότι η λεπτίνη επηρεάζει τον βαθμό μεθυλίωσης της POMC (8).

Υποπρωτεϊνική διατροφή κατά την κύηση σε τρωκτικά προκάλεσε υπομεθυλίωση της POMC (9).

Συμπέρασμα: Οι περισσότερες μελέτες συμφωνούν ότι η υπερλιπιδική διατροφή τρωκτικών οδηγεί σε υπερμεθυλίωση της περιοχής του εκκινητή της POMC και άρα σε μείωση της γενετικής της έκφρασης, άρα μείωση της ανορεξιογόνου δράσης της με αποτέλεσμα πολυφαγία και λήψη βάρους.

GCR Υποδοχέας γλυκοκορτικοειδών

Τα γλυκοκορτικοειδή στον υποθάλαμο αναστέλλουν την ανορεξιογόνο δράση της POMC και διεγείρουν την ορεξιογόνο δράση του ΝΡΥ με αποτέλεσμα αύξηση της λήψης φαγητού.

Μείωση συνολικά της διατροφής σε έγκυες προβατίνες προκάλεσε υπομεθυλίωση και αύξηση της έκφρασης του υποδοχέα των γλυκοκορτικοειδών GR, καταστολή της POMC, αύξηση της όρεξης και λήψη βάρους (10).

Υποπρωτιδική διατροφή θηλυκών επίμυων κατά την κύηση προκάλεσε υπομεθυλίωση και αύξηση της έκφρασης του υποδοχέα των γλυκοκορτικοειδών GR ηπατικών κυττάρων στη θέση του εξωνίου 110 στα νεογένητα, η οποία απεφεύχθη όταν οι έγκυες ελάμβαναν φολικό οξύ (11).

Υποθερμιδική δίαιτα σε έγκυες προβατίνες προκάλεσε υπομεθυλίωση του εκκινητή του υποδοχέα των γλυκοκορτικοειδών GR, υπομεθυλίωση της ιστόνης στη θέση λυσίνη 27 και υπερακετυλίωση της ιστόνης Η3 στη θέση λυσίνη 9 στον υποθάλαμο, παράλληλα με αύξηση της έκφρασης του GR mRNA και παχυσαρκία των απογόνων στην ηλικία των 5 ετών (12).

Συμπέρασμα: Φαίνεται ότι υποθερμιδική διατροφή προβάτων και τρωκτικών προκαλεί υπομεθυλίωση των υποδοχέων των κορτικοειδών, αύξηση της γενετικής τους έκφρασης, αύξηση της ορεξιογόνου δράσης τους, με αποτέλεσμα λήψη βάρους.

Λεπτίνη

Η λεπτίνη στον υποθάλαμο διεγείρει την ανορεξιογόνο δράση της POMC και αναστέλλει την ορεξιογόνο δράση του ΝΡΥ με αποτέλεσμα την μείωση της λήψης φαγητού. Στα προλιποκύτταρα η λεπτίνη είναι υπερμεθυλιωμένη και η γενετική έκφραση μικρή ενώ στα ώριμα λιποκύτταρα υπομεθυλιωμένη και η γενετική έκφραση μεγάλη.

Υπερλιπιδική δίαιτα σε επίμυες Wister rats προκάλεσε υπερμεθυλίωση του CpG -443 της απώτερης περιοχής του εκκινητή της λεπτίνης, μείωση της λεπτιναιμίας και λήψη βάρους (13).

Υπερθερμιδική διατροφή τρωκτικών προκάλεσε υπερμεθυλίωση της πρωτεΐνης 2 στην τοποθεσίας σύνδεσης (BDM2) του εκκινητή της λεπτίνης, υπομεθυλίωση της ιστόνης στη θέση της λυσίνη 4 (Η3Κ4) και υποακετυλίωση της ιστόνης Η3 και Η4 (14)

Υπερλιπιδική διατροφή κατά την κύηση τρωκτικών προκάλεσε υπερμεθυλίωση της ιστόνης Η4 στην θέση λυσίνη 20 του εκκινητή της Λεπτίνης και υπερμεθυλίωση και υποακετυλίωση της ιστόνης Η3 στην θέση λυσίνη 9 του εκκινητή της αδιπονεκτίνης. Παράλληλα κατεγράφη λήψη βάρους στα νεογνά (15).

Υποπρωτεϊνική διατροφή κατά την κύηση τρωκτικών προκάλεσε υπομεθυλίωση των CpG 7-17 του εκκινητή της λεπτίνης, χαμηλότερα επίπεδα mRNA λεπτίνης στον λιπώδη ιστό, χαμηλότερο βάρος νεογνών και μεγαλύτερη λήψη φαγητού (16).

Υποθερμιδική δίαιτα παχυσάρκων γυναικών έδειξε στον λιπώδη ιστό υπομεθυλίωση του εκκινητή της λεπτίνης και του TNF-α στον λιπωδη ιστό, χωρίς όμως αλλαγές στην γενετική έκφραση της λεπτίνης και του TNF-α (17).

Συμπέρασμα: Σχετικά με την λεπτίνη αρκετές μελέτες συμφωνούν ότι η υπερλιπιδική διατροφή τρωκτικών οδηγεί σε υπερμεθυλίωση της περιοχής του εκκινητή και παράλληλα σε λήψη βάρους, χωρίς ωστόσο να αναδεικνύεται ξεκάθαρα η επίδραση στη γενετική έκφραση και στην λήψη τροφής. Αναμένονται με ιδιαίτερο ενδιαφέρον περαιτέρω μελέτες σε τρωκτικά και ιδίως στον άνθρωπο.

α-MSH MCR4

Το τρωκτικό αγκούτι (αρουραίος Κεντρικής Αμερικής) έχει στο χρωμόσωμα 2 ένα γονίδιο που κωδικοποιεί την παραγωγή πρωτεΐνης Αγκούτι Α, που ανταγωνίζεται την σύνδεση του τμήματος α-MSH της POMC (προοπιομελανοκορτίνης) με τον υποδοχέα MCR1 ο οποίος καθορίζει την χρωστική του τριχώματος και MCR4, ο οποίος προκαλεί κορεσμό. Ένα κανονικό άγριο αγκούτι είναι κανονικού βάρους και καστανό.

Ο αλληλόμορφος Avy έχει μειωμένη μεθυλίωση ενός CpG του promoter και αυξημένη παραγωγή πρωτεΐνης Αγκούτι Α με αποτέλεσμα να προκύπτει ένα τρωκτικό κίτρινο με μειωμένο κορεσμό, άρα παχύσαρκο λόγω υπερφαγίας. Αν υποβοηθήσουμε διατροφικά την μεθυλίωση, μειώνεται η έκφραση της πρωτείνης αγκούτι Α, οπότε η σύνδεση της α-ΜSH με τους 2 τύπους υποδοχέων είναι και πάλι εφικτή με αποτέλεσμα ψευδοαγκούτι με κανονικό κορεσμό, φυσιολογικού βάρους και χρώματος καστανού.

ΜC4R

Αυξημένη σε λίπος διατροφή (>45%) νεογνών παχύσαρκων ποντικιών obese Berlin fat mouse (BFMI) προκάλεσε υπερμεθυλίωση της περιοχής ΙΙ πλησιέστερης στο γονίδιο του ΜC4R, παράλληλα με μικρή αύξηση της γενετικής έκφρασης του υποδοχέα, ανορεξιογόνο δράση και τελικό αποτέλεσμα μικρή μείωση του βάρους (18).

RXR

Υποθερμιδική διατροφή κατά την κύηση στην Ολλανδία στο τέλος του β΄ παγκοσμίου πολέμου (Dutch famine) συσχετίστηκε με εμφάνιση παχυσαρκίας στην ενήλικη ζωή. Μελέτες έδειξαν ότι υπήρξε υπερμεθυλίωση συγκεκριμένων γονιδίων.

Ο PPRγ σχηματίζει ένα διμερές με τον ρετινοϊκό υποδοχέα RXR.

H περιοχή 136355885+ στο χρωμόσωμα 9 είναι κοντά σε τοποθεσίες σύνδεσης (binding site) του RXR, NFKb κλπ. Η έκφραση του RXRΑ στον λιπώδη ιστό παχύσαρκων τρωκτικών είναι μειωμένη.

Μελέτη σε κύτταρα του ομφάλιου λώρου βρεφών των οποίων οι μητέρες έλαβαν διατροφή με χαμηλά επίπεδα υδατανθράκων στην αρχή της κύησης, έδειξε ότι υπερμεθυλίωση του RXRA chr9:136355885+ συσχετιζόταν με υψηλότερο επίπεδο λιπώδους ιστού των παιδιών στην ηλικία των 9 ετών (19).

PGC-1α

Peroxisome proliferator activator receptor-γ coactivator 1α

PGC-1α είναι ένας μεταγραφικός συνενεργοποιητής – συνδιεγέρτης, που συνδέεται με τον PPAR-γ.

Είναι ρυθμιστής σημαντικών μιτοχονδριακών λειτουργιών.

Στην παχυσαρκία και τον ΣΔΙΙ η έκφραση του PGC-1α είναι μειωμένη.

Παλμιτικό και στεαρικό οξύ προκαλούν υπερμεθυλίωση και μείωση της έκφρασης του PGC-1α στα μυϊκά κύτταρα τρωκτικών. Αντίθετα η σωματική δραστηριότητα προξενεί υπομεθυλίωση του εκκινητή και αυξάνει το περιεχόμενο σε PGC-1α mRNA και την έκφραση του PGC-1α στους μύες (20).

Παρατηρήσεις

Η σύγκριση των αποτελεσμάτων καθίσταται συχνά δύσκολη λόγω της ανομοιογένειας της μεθοδολογίας των εργασιών ως προς τους ακόλουθους παράγοντες:

Υποκείμενο: πειραματόζωο (τρωκτικά, πρόβατα), άνθρωπος

Διατροφική παρέμβαση: Υπερθερμιδική, υπερλιπιδική, υποθερμιδική, υποπρωτεϊνική, πλούσια σε υδατάνθρακες κλπ

Κύτταρα: υποθαλαμικά, λιποκύτταρα, λευκά αιμοσφαίρια κλπ

Γονίδιο: POMC, GCR, λεπτίνη, TNFα, RXR, ΜC4R, PPRγ, PGC-1α

Περιοχή γονιδιώματος: εκκινητής, πλησίον του εκκινητή κλπ.

Οι περισσότερες εργασίες αφορούν τρωκτικά γιατί μετά την διατροφική παρέμβαση είναι δυνατή η θυσία του πειραματόζωου και η μελέτη του γονιδιώματος των υποθαλαμικών κυττάρων του εγκεφάλου.

Στον άνθρωπο γίνεται προσπάθεια να εξαχθούν συμπεράσματα από την μελέτη περιφερικών κυττάρων (λευκά αιμοσφαίρια, λιποκύτταρα). Αυτό δυσκολεύει την εξαγωγή συμπερασμάτων γιατί αφ’ ενός οι βασικοί “παίκτες” λεπτίνη, GCR και POMC δεν εκφράζονται σε όλα τα κύτταρα κατά τον ίδιο τρόπο και αφ’ ετέρου διότι ένας διατροφικός παράγοντας μπορεί να προκαλέσει υπερμεθυλίωση στα κύτταρα ενός ιστού και συγχρόνως υπομεθυλίωση στα κύτταρα άλλου ιστού.

Οι περισσότεροι ερευνητές στο πεδίο της διατροφογενωμικής, υπογραμμίζουν ότι αυτή βρίσκεται ακόμα σε νηπιακό στάδιο. Αυτό σημαίνει ότι η παρούσα ανασκόπηση με τις πολύ πρόσφατες ανακοινώσεις μπορεί σε πολύ λίγα χρόνια να είναι ήδη παρωχημένη.

Συμπέρασμα

Η διατροφογενωμική, δηλαδή η μελέτη των επιδράσεων που έχουν τα συστατικά των τροφών στον τρόπο με τον οποίο εκφράζονται τα γονίδιά μας, είναι θα αποτελέσει το πεδίο έρευνας της παχυσαρκίας με την μεγαλύτερη ανάπτυξη στο άμεσο μέλλον.

Η απλή εξίσωση τρώω περισσότερο, άρα παχαίνω, φαντάζει πλέον ανεπαρκής στην αυγή του 21ου αιώνα. Δεν είμαστε όλοι ίσοι απέναντι στην ίδια διατροφική συμπεριφορά.

Η ανισότητα όμως έναντι της τροφής και του κινδύνου παχυσαρκίας δεν έγκειται σε μια απλή κληρονομική διαφορά με την οποία γεννιέται ο άνθρωπος και φέρει ως δυσβάσταχτο φορτίο σε όλη του τη ζωή, αλλά διαμορφώνεται με βάση την επίδραση των τροφών που συνηθίζει να τρώει επί του γονιδιώματός του.

Με άλλα λόγια δεν είναι αναπόφευκτη η εγκατάσταση παχυσαρκίας, αλλά προϊόν των διατροφικών επιλογών του ατόμου.

Βιβλιογραφία

1. Corella D et al. Int J Obes (Lond). 2011 May;35(5):666-75.

Association between the APOA2 promoter polymorphism and body weight in Mediterranean and Asian populations: replication of a gene-saturated fat interaction.

2. Memisoglu A et al. Hum Mol Genet. 2003 Nov 15;12(22):2923-9.

Interaction between a peroxisome proliferator-activated receptor gamma gene polymorphism and dietary fat intake in relation to body mass.

3. Phillips CM et al. J Nutr. 2012 May;142(5):824-31.

High dietary saturated fat intake accentuates obesity risk associated with the fat mass and obesity-associated gene in adults.

4. Kilpeläinen TO et al. PLoS Med. 2011 Nov;8(11):e1001116.

Physical activity attenuates the influence of FTO variants on obesity risk: a meta-analysis of 218,166 adults and 19,268 children.

5. J Physiol. 2009 Oct 15;587(Pt 20):4963-76. Plagemann A et al.

Hypothalamic proopiomelanocortin promoter methylation becomes altered by early overfeeding: an epigenetic model of obesity and the metabolic syndrome.

6. Diabetes. 2014 May;63(5):1475-87. Zhang X et al.

Hypermethylation of Sp1 binding site suppresses hypothalamic POMC in neonates and may contribute to metabolic disorders in adults: impact of maternal dietary CLAs.

7. FASEB J. 2014 Jun 13. Marco A et al.

Overweight and CpG methylation of the Pomc promoter in offspring of high-fat-diet-fed dams are not «reprogrammed» by regular chow diet in rats.

8. Br J Nutr. 2011 Sep;106(5):769-78. Palou M. et al.

Protective effects of leptin during the suckling period against later obesity may be associated with changes in promoter methylation of the hypothalamic pro-opiomelanocortin gene.

9. Endocrinology. 2010 Feb;151(2):702-13. Coupé B et al.

Nutritional programming affects hypothalamic organization and early response to leptin.

10. Endocrinology. 2010 Aug;151(8):3652-64. Stevens A et al.

Epigenetic changes in the hypothalamic proopiomelanocortin and glucocorticoid receptor genes in the ovine fetus after periconceptional undernutrition.

11. J Nutr. 2005 Jun;135(6):1382-6. Lillycrop KA et al.

Dietary protein restriction of pregnant rats induces and folic acid supplementation prevents epigenetic modification of hepatic gene expression in the offspring.

12. Endocrinology. 2013 Dec;154(12):4560-9. Begum G et al.

Maternal undernutrition programs tissue-specific epigenetic changes in the glucocorticoid receptor in adult offspring.

13. FASEB J. 2011 Apr;25(4):1378-89. Milagro F et al.

A dual epigenomic approach for the search of obesity biomarkers: DNA methylation in relation to diet-induced weight loss.

14. Sci Rep. 2014 Jun 13;4:5282. Shen W et al. .

Epigenetic modification of the leptin promoter in diet-induced obese mice and the effects of N-3 polyunsaturated fatty acids.

15. Endocrinology. 2012 Jun;153(6):2823-30. Masuyama H et al.

Effects of a high-fat diet exposure in utero on the metabolic syndrome-like phenomenon in mouse offspring through epigenetic changes in adipocytokine gene expression.

16. FASEB J. 2011 Sep;25(9):3271-8. Jousse C et al.

Perinatal undernutrition affects the methylation and expression of the leptin gene in adults: implication for the understanding of metabolic syndrome.

17. J Physiol Biochem. 2011 Sep;67(3):463-70. Cordero P et al.

Leptin and TNF-alpha promoter methylation levels measured by MSP could predict the response to a low-calorie diet.

18. J Appl Genet. 2010;51(2):193-7. Widiker S et al.

High-fat diet leads to a decreased methylation of the Mc4r gene in the obese BFMI and the lean B6 mouse lines.

19. Diabetes. 2011 May;60(5):1528-34. Godfrey KM et al.

Epigenetic gene promoter methylation at birth is associated with child’s later adiposity.

20. J Biol Chem. 2007 May 25;282(21):15439-50. Crunkhorn S et al.

Peroxisome proliferator activator receptor gamma coactivator-1 expression is reduced in obesity: potential pathogenic role of saturated fatty acids and p38 mitogen-activated protein kinase activation.