|
ПРОБЛЕМНІ СТАТТІ УДК 577.21:613.2/.3 СУЧАСНИЙ РОЗВИТОК НУТРИГЕНОМІКИВ.І. Смоляр, доктор мед. наук, професор Національний університет харчових технологій РЕЗЮМЕ. В статье представлены результаты научных исследований в области нутригеномики — нового раздела нутрициологии. SUMMARY. Results of scientific developments in nutrihenomics a new part of nutritiology are presented in article. Недавно у світовій науці сталися дві видатні події: виповнилося піввіку із часу відкриття подвійної спіралі ДНК і розшифрований геном людини. Перше відкриття, опубліковане у квітні 1953 р. 25-річним американцем Джеймсом Уотсоном та 36-річним англійцем Френсісом Кріком, поклало початок бурхливому розвитку генетики та молекулярної біології, який триває і в наші дні [1]. Подвійна спіраль ДНК стала символом науки про життя. Через 9 років відкривачі вторинної структури ДНК стали Нобелівськими лауреатами, а ще через 6 років, у 1968 р. була опублікована книга Дж. Уотсона "Подвійна спіраль". Не часто буває так, що всі обставини епохального наукового відкриття описав не історик чи журналіст, а його автор, причому дуже захоплююче. Книга Дж. Уотсона стала бестселером. Драматична історія відкриття хімічної природи генів стала надбанням усього людства. За своєю структурою ДНК може забезпечити суперточне самовідтворення (реплікацію). Якраз ця властивість ДНК є критерієм спадковості. Усвідомлення цього факту стало потужним стимулом для подальших фундаментальних досліджень. Уперше в біології у цю галузь науки були спрямовані колосальні наукові сили і матеріальні ресурси. Дослідження в цьому науковому напрямі привели до розуміння, що геном із хімічно індивідуальної речовини є основою життя. У 2000 р. сталася друга видатна подія — консорціумом учених різних країн під керівництвом проф. Вертера був розшифрований геном людини, тобто його нуклеотидна послідовність [2]. Почалась ера геноміки, яка вивчає роль та функції генів. Накопичена останнім часом наукова інформація визначила першорядну роль геному в таких процесах, як обмін речовин, виникнення захворювань (унаслідок "поломки" обміну речовин), а також їх лікування (внаслідок корекції цих "поломок" ліками) [3]. Визнана значна роль харчування та його вплив на геном. Шлях до усвідомлення першорядної ролі генома в цих процесах був, як відомо, нелегким. Адже спочатку, до відкриття подвійної спіралі ДНК, роль ядра в цих процесах взагалі заперечували, особливо в СРСР. Проте із часом стало очевидним, що обмін речовин визначає формування функцій клітин, тканин і органів, систем і, кінець кінцем, організму в цілому через здійснення біохімічних реакцій специфічними каталізаторами білкової природи — ферментами. Френсіс Крік довів, що генетична інформація передається у такому напрямі: ДНК —> РНК —> білок Згодом киянин С.М. Гершензон експериментально довів можливість передачі генетичної інформації у зворотному напрямі: РНК —> ДНК —> білок Але в усіх випадках білок є кінцевим акцептором генетичної інформації й основним елементом, який її реалізує у конкретну фізіологічну функцію, звичайно, через складну послідовність багатьох біохімічних реакцій. Тому тепер, у післягеномний період, наукові дослідження сконцентровані на білкових продуктах генома (протеома), з'ясуванні того, як вони взаємодіють між собою. Цей напрям наукових досліджень одержав назву протеоміки. З протеоміки витікає необхідність споживання достатньої кількості повноцінних білків, які містять незамінні амінокислоти. З рис. 1 видно, що процес біосинтезу білка складається з трьох основних процесів: реплікації, транскрипції й трансляції. Реплікація — це процес самовідтворення молекул ДНК. Він потребує великої кількості різних кофакторів, зокрема, РНК та багатьох ферментів. Транскрипція — це процес синтезу І, нарешті, і-РНК транспортується з ядра в цитоплазму, де на рибосомах активно використовується для синтезу поліпептидних фрагментів білкової молекули. Цей етап білкового синтезу називається трансляцією. Інший тип РНК — т РНК поставляє амінокислоти для синтезу поліпептидного ланцюга білкової молекули. На поверхні Розшифрування генома людини стимулювало розвиток нового напряму в науці про харчування — нутригеноміки, яка вивчає механізм дії харчових та токсичних речовин їжі, загалом — харчування на експресію генів (рис. 2). Останнім часом розроблені ефективні технології, які дають можливість з винятковою швидкістю і точністю одночасно отримати інформацію щодо рівня експресії тисяч генів під впливом тієї чи іншої харчової речовини, чи токсину [4]. Тепер уже одержані десятки схем експресії генів у відповідь на дію окремих токсичних речовин і накопичуються відповідні бази даних. Як з'ясувалось, нуклеїнові кислоти — вкрай нестабільні компоненти клітин і часто можуть пошкоджуватися. Експресія генів залежить як від внутрішніх чинників (напр. гормонів), так і від зовнішніх факторів, якими є харчові речовини та забруднювачі їжі (рис. 3). Причому серед зовнішніх факторів, що діють на експресію генів, харчові речовини є провідними [4]. Тому вони стали предметом інтенсивних досліджень. Починаючи ще з ранніх стадій еволюційного розвитку людини, їжа виступає як простий сигнал, який дозволяє регулювати утилізацію й метаболізм харчових речовин залежно від доступності їжі та фізіологічних періодів розвитку людини. Якраз харчові речовини є факторами, які регулюють вміст різних білків у клітинах за рахунок регуляції експресій генів, функціонування РНК та тривалості їхнього життя. При цьому інтенсивність сигналів регуляції експресії генів залежить як від якості харчування, так і від часових параметрів споживання їжі (рис. 4). Як відомо, харчування діє постійно — кілька разів на день, протягом усього життя людини і тому є провідним фактором дії на геном і білковий склад клітин. Усі харчові речовини, які діють на геном людини, можна поділити на 6 груп (табл. 1): Вплив усіх цих речовин їжі може реалізуватися на всіх рівнях експресії генів — транскрипції ДНК, синтезу Основні дослідження в постгеномний період сконцентровані на білкових продуктах генома людини, тобто основним напрямом функціональної геноміки є протеоміка (високозважений аналіз і взаємодія білкових продуктів генів). Протеоміка як розділ геноміки сконцентровує увагу на генній продукції має величезний потенціал для розвитку гігієни харчування і дієтології [6]. Найбільший інтерес, з точки зору нутриціології, має зв'язана із харчуванням модифікація білків. Адже синтезовані на рибосомах білки в подальшому піддаються численним модифікаціям. Можна навести лише один приклад. Такі білки-ферменти, як піруваткарбоксилаза та ацетил-коА-карбоксилаза синтезуються в неактивній апоформі. Доведено, що вони стають активними за приєднання до себе вітаміну Н (біотину) за рахунок ковалентного (тобто міцного) зв'язку. Приєднання вітаміну Н та інших вітамінів до ферментів призводить до їх модифікації у активну голоформу, а в подальшому, внаслідок так званих каскадних реакцій, — до модифікації багатьох ферментів [4]. Крім багатьох вітамінів, факторами активації ферментів через модифікацію білків є більшість мінеральних речовин, зокрема мікроелементів. Зрозуміло, що при нестачі цих важливих компонентів у харчуванні людини процес активації ферментів загальмовується. До факторів модифікації білків-ферментів відносяться також такі реакції, як фосфорилювання, дефосфорилювання, ацетилювання, ацилювання, метилювання, глікозування та ін. Кожен із цих процесів потенційно регулюється харчовими речовинами. Модифікаця білків у багатьох випадках часто призводить також до втрати їх природної структури та функціональних властивостей, що є причиною їх інтенсивної деградації за допомогою трьохфазної системи деградації (рис. 6). Це — ферментна деградація в лізосомах за допомогою гідролітичних ферментів, пептидаз, убіквитин-залежна система та мітохондріальна система, де проходить більш як 100 різних ферментних процесів, у т.ч. цикл Кребса і дихальний ланцюг. З точки зору біохімії необхідність деградації білків і повторного використання амінокислот та інших речовин від білкових структур є основою фундаментального процесу живих організмів — процесу оновлення білків [4]. Якраз необхідність оновлення білкового складу клітин і лежить в основі формування фізіологічної потреби усіх живих організмів, і в тому числі людини, в постійному надходженні суворо визначеної кількості енергії та харчових речовин із зовнішнього середовища, тобто в постійному раціональному харчуванні. Нутригеноміка якраз наголосила на тому, що ступінь забезпеченості харчовими речовинами впливає як на рівні генома, так і на рівні протеома. Отже, постає важливе завдання — уже на рівні генома та протеома людини визначити або підтвердити фізіологічні норми харчування, особливо білкові норми харчування. Вивчення механізмів деградації й оновлення білків в організмі людини за умов якісно і кількісно різного харчування становить друге першорядне завдання нутригеноміки. Зрозуміло, що розвиток наукових досліджень у цих напрямах як в експериментах, так і в клінічних умовах має велике значення для розвитку всієї нутриціології. Що ж у наш час зроблено в цьому напрямі? Доведено, що обмеження калорійності раціону викликає гальмування експресії генів. А 48-годинне голодування тварин викликає зменшення вмісту Два вітаміни (Е та С) виявлені в складі ядерного хроматину, із чого виходить, що вони приймають активну участь (прямо і опосередковано) в реалізації молекулярно-генетичних функцій ДНК. Ще проф. Б.І. Гольдштейном був висловлений здогад, що вітамін С та Fe приймають участь у процесах передачі генетичної інформації через реплікацію ДНК [7]. Формуючи прооксидантно-антиоксидантну систему, ці біохімічні компоненти ядерного генома певним чином виконують регуляторну генетичну функцію, можливо, включаючи або виключаючи систему реакцій переокислення хроматинзв'язаних ліпідів, унаслідок чого виникають специфічні пошкодження в структурі ДНК, необхідні для початку процесу реплікації, або нейтралізуючи переокислені продукти, які є на даний момент генотоксичними агентами. Нещодавно Є.Л. Левицьким [7] було доведено, що аскорбінова кислота може модифікувати активність реплікативних і репаративних ДНК-полімераз, приймаючи в такий спосіб участь як ендогенний фактор у регуляції процесів біосинтезу ДНК у клітинах. Так само встановлений вплив вітаміну Е на процеси реплікації й транскрипції ядерних ДНК. Включення вітаміну D також має нормалізуючу геномотропну дію. Встановлений зв'язок поміж зниженням антиоксидантної активності за рахунок селену та збільшенням ушкодження ДНК. А добавка селеніту натрію, навпаки, попереджає ушкодження ДНК, індуковане гепатоканцерогеном НДМА і фенобарбіталом. Генотоксична дія хімічних сполук обумовлює токсичний вплив упродовж усього ядерного генома. У більш вузькому смислі під цим терміном слід розуміти пошкодження окремих ділянок генома внаслідок безпосереднього або опосередкованого впливу токсиканта на геном. Про генотоксичний ефект можна твердити лише у випадку пошкодження ДНК, тому що тільки вона є матеріальним носієм генетичної інформації, яка виражається в послідовності генів. Подібне пошкодження ДНК може виникати як у результаті безпосереднього зв'язування токсиканта з ДНК, так і за порушення її структури у складі хроматина унаслідок токсичного пошкодження інших компонентів хроматину. Встановлено пошкодження генома людини багатьма токсичними речовинами [6]. Так, дія нітрозоамінів на організм зумовлена реакцією алкілування ДНК продуктами їхнього метаболізму, що призводить до порушення функціонування генома клітини. Вважають, що для мутагенного ефекту істотним є алкілування (відщеплення СН3-) однієї з азотистих основ ДНК — гуаніну, що призводить до порушення передачі генетичної інформації. Мікотоксини грибів роду Fusarium (фумонізини) мають генотоксичні властивості, викликають фрагментацію ДНК та індукують апоптоз. Метаболіти толуолу викликають окисне ушкодження ДНК, що може спричинити порушення репродукції і канцерогенний ефект. Навпаки, показана антимутагенна дія, тобто така дія, яка попереджує порушення структури ДНК, екстрактів цибулі, часнику, перцю і капусти. Показано, що вживання томатів модулює окисне ушкодження ДНК у людини. При цьому в клітинах виявляють підвищений рівень 8-гідроксиаденозину. В кількох дослідженнях показана мутагенна активність розчинної кави. Наявність ґрунтовних доказів участі генома у розвитку клітинної патології дозволило вважати, що більшість сучасних захворювань людини має у своїй основі пряму або посередню участь ДНК [3, 7]. Тепер такий генетичнозалежний або генетичнозумовлений механізм патології встановлений для багатьох найпоширеніших захворювань — серцево-судинних (перш за все, атеросклерозу та його основних проявів), онкологічних, інфекційних, імунних, а також хімічної та радіаційної патології. У ролі пускового механізму, який викликає "переключення" процесу "зчитування" нуклеотидів, часто виступають токсичні пошкоджуючі агенти (рис. 7). Порушуючи цілісність ДНК, вони тим самим змінюють послідовність зчитуваних ділянок нуклеотидів, що може призводити до синтезу підвищеної кількості патологічних білків, і, через включення тих чи інших молекулярних механізмів, до появи ушкоджених клітин, а згодом — до виникнення патологічних процесів [7]. Тепер стало зрозумілим, що більшість видів раку — це результат появи мутацій у сімействі т. зв. "housekeeping генів" або клітинних онкогенів (табл. 2). Ці мутації виникають у результаті дії зовнішніх канцерогенів протягом усього життя або внаслідок дії сильних оксидантів, які постійно утворюються в результаті нормального обміну речовин [1]. Поряд із цим зустрічається багато випадків, коли мутантний алель раку є спадковим. Як і в разі спадкових дефектів генів, порушення в харчуванні призводить до синтезу патологічних білків (рис. 8). Процесу відкладення підвищеної кількості холестерину в стінках кровоносних судин передує цілий ланцюг біохімічних процесів, зокрема, модифікація швидкості реакцій ПОЛ і поява спеціальних клітин кровоносної системи, які викликають ушкодження судинної стінки [7]. Допускають, що їх виникнення і розвиток генетично запрограмовані. Експериментально доведено, що введення 0,3% холестерину викликає у кроликів підвищення в атеросклеротичних бляшках 7,8-дигідро-8-оксигуаніну внаслідок окислення ДНК. Київські вчені В.О. Кордюм, С.М. Ніколаєва та ін. [2] довели, що пересадження певних генів у ДНК печінки перешкоджає розвитку атеросклеротичного процесу в стінках кровоносних судин. При хімічній патології в ядерному хроматині утворюється система переокислення хроматинзв'язаних ліпідів, яка запускає увесь цикл реакцій виникнення і розвитку ушкодження ДНК. Аналогічні дані про наявність генетичного механізму розвитку патогенного процесу одержані при дії на організм іонізуючого, ультрафіолетового та інших видів опромінення [7]. Тепер робляться спроби використання гібридних РНК-конструкцій для створення генотерапевтичних засобів захисту від низькомолекулярних токсинів. Для одержання РНК використовують клітини мишиної гібрідоми. Виділена РНК служить матрицею в реакції оберненої транскрипції. Сформований і клонований штучний ген для синтезу антидезоксиніваленолу [8]. Формула їжі людини 3-го тисячоліття — це постійне використання в раціоні, крім традиційних натуральних продуктів, також продуктів із генетично модифікованих джерел. Розвиток геноміки спричинив створення цілої багатотонажної галузі генетичномодифікованих продуктів, які створюються шляхом включення у геном штучно сконструйованих елементів. У кінці ХХ століття їх було вже отримано понад 500 [9]. Для токсиколого-гігієнічної оцінки генетичномодифікованих продуктів учені використовують т. зв. концепцію еквівалентності, згідно з якою оцінка ґрунтується на порівнянні генетичномодифікованої рослини із своїм аналогом, виведеним звичайним шляхом. Тепер ця концепція піддається справедливій критиці [10]. У разі її використання для оцінки генетичномодифікованих продуктів виникає кілька невирішених проблем. Серед них — визначення токсичних властивостей модифікованих білків, вивчення їх біодоступності, можливості генної передачі до організмів інших видів, можливість незапланованих ефектів від дії нової генетичної конструкції. Перед нутриціологією виникає ще одне важливе завдання — для оцінки генетичномодифікованих продуктів застосувати методи токсикогеноміки. Поки що немає даних про мутагенні властивості цих продуктів, а їх вивченість у цьому відношенні недостатня. Із вищевикладеного витікає безсумнівна залежність генома людини, процесу біосинтезу білків від стану харчування, забезпеченості окремими харчовими речовинами, від ступеня забруднення харчових продуктів токсикантами різної природи. Тому, вочевидь, великого значення набуває принцип збагачення продуктів комплексом харчових речовин. Вивчення реальних функцій продуктів, кодованих генами, їх функціональні зв'язки, регуляція індивідуальних реакцій і біохімічних ланцюгів становить основне завдання післягеномної ери у найближчі роки. З'ясування ролі окремих компонентів харчування як фактора, діючого протягом усього життя людини, у цих процесах визначає завдання нутригеноміки — нового розділу загальної і спеціальної нутриціології. Література |