Диета с высоким содержанием жиров у отцов приводит к нарушениям обмена глюкозы у дочерей
|
Могут ли внешние факторы, действующие на родителей, влиять на активность генов у их детей? Как это может быть связано с распространением нарушений обмена веществ (ожирение, сахарный диабет, метаболический синдром)? Давно известно, что ожирение провоцирует развитие сахарного диабета (заболевания, связанного с потерей клетками способности усваивать глюкозу из крови). Поэтому в современном мире сахарный диабет поражает всё больше людей. Исследователи из Австралии установили, что у крыс ожирение самцов приводит к тому, что у их дочерей происходят нарушения метаболизма глюкозы, характерные для сахарного диабета. Это сопровождается изменением активности генов, которое, вероятно, передается по наследству от отцов к дочерям.
Глюкоза служит основным источником энергии для клеток организма. Поэтому животные стараются поддерживать ее концентрацию в крови на постоянном уровне. После приема пищи глюкоза поступает в кровь в большом количестве, а клеткам ее необходимо поглощать интенсивнее, чем обычно. Основные потребители глюкозы — клетки печени, мышцы и жировые клетки. Чтобы глюкоза проникла через мембрану клетки, в нее должен быть встроен белок — переносчик глюкозы (глюкозный транспортер). Чем больше на поверхности клетки глюкозных транспортеров, тем интенсивнее она будет поглощать глюкозу. Ну а если их не будет, то ни одна молекула глюкозы в клетку не попадет, сколько бы ее ни было в крови.
Количество молекул глюкозного транспортера регулируется инсулином. Этот гормон, действуя на клетку, запускает вывод на клеточную мембрану новых молекул транспортера, регулируя таким образом количество глюкозы в крови. Поэтому инсулин выделяется в кровь после приема пищи из ?-клеток поджелудочной железы, в которых он синтезируется.
При нарушении механизма регуляции содержания глюкозы в крови развивается сахарный диабет. Причин его может быть несколько. Во-первых, это разрушение ?-клеток (диабет 1-го типа, или инсулинозависимый). Оно может быть вызвано аутоиммунным заболеванием, при котором организм вырабатывает антитела против своих собственных белков, и это — наиболее частая причина диабета первого типа. Во-вторых, заболевание может быть связано с нарушением синтеза инсулина клетками, его выделения, способностью клеток правильно отреагировать на гормон (диабет 2-го типа, или инсулиннезависимый). В любом случае, в крови увеличивается количество глюкозы, а клетки переходят на альтернативные источники энергии — жиры и аминокислоты.
Сахарный диабет опасен тем, что сопровождается кардинальными перестройками метаболизма. Они приводят к нарушениям зрения, работы почек, кровеносных сосудов, может развиться диабетическая кома.
Оба типа сахарного диабета обусловлены как генетической предрасположенностью, так и внешними факторами. Сегодня на первое место по распространенности выходит диабет 2-го типа. Связывают это с изменением образа жизни современного человека: сидячая работа и высокий уровень дохода привели к тому, что человек получает с пищей больше калорий, чем ему необходимо. Это вызывает ожирение. В свою очередь, ожирение приводит как к нарушению работы поджелудочной железы, производящей инсулин, так и к ухудшению способности клеток печени, мышц и жировой ткани реагировать на этот гормон (устойчивость к инсулину). Таким образом, при ожирении развивается недостаточность инсулина и устойчивость к нему. Поэтому организм, пытаясь скомпенсировать кажущийся недостаток инсулина, увеличивает его выработку. Нагрузка на поджелудочную железу увеличивается. Устойчивость к инсулину сама по себе не обязательно приводит к развитию диабета. Но если по каким-либо причинам поджелудочная железа не сможет компенсировать недостаток гормона, это приведет к заболеванию.
Очевидно, что ожирение угрожает не только самому организму, но и может нанести вред его потомству. Сегодня известно, что если самок мышей кормить пищей с большим количеством жиров, то их потомство будет страдать ожирением и диабетом. А вот как образ жизни отцов может отразиться на здоровье детей? В частности, может ли поведение отца спровоцировать развитие метаболических заболеваний, таких как сахарный диабет, у его потомства?
Ответить на этот вопрос решили исследователи из Австралии. Они разделили крыс на две группы, в каждой из которых были и самки, и самцы. В первой группе самцов кормили пищей с повышенным содержанием жира (будем называть их группа ВЖД, ВЖД — диета с высоким содержанием жира), а во второй группе — нормальным кормом (контрольная группа). Самок в обеих группах кормили пищей с нормальным содержанием жира. Чтобы сделать вывод о влиянии питания самцов на потомство, исследователи сравнивали потомство, полученное в этих группах.
Как и ожидалось, самцы, получавшие жирную пищу, были толще, жира у них было больше, а мышечная масса снижена. К тому же, количество глюкозы у них в крови после приема пищи снижалось медленнее, чем в контрольной группе. Это так называемое снижение толерантности к глюкозе — один из характерных признаков сахарного диабета. Количество инсулина в крови в группе ВЖД было выше, чем в контрольной группе: поджелудочная железа старалась компенсировать недостаточную скорость поглощения глюкозы большим количеством гормона. Это может в конечном счете привести к износу поджелудочной железы. Таким образом, у самцов наблюдались признаки развивающегося сахарного диабета.
А какие изменения произошли в потомстве? Оказалось, что при обычных условиях питания у дочерей, родившихся от самцов ВЖД (назовем их «дочери ВЖД»), количества глюкозы и инсулина в крови были нормальными. Тогда ученые проверили, как такие самки справляются с усвоением большого количества глюкозы, полученной за один прием пищи (тест с сахарной нагрузкой). Оказалось, что у дочерей ВЖД после сахарной нагрузки количество глюкозы в крови было выше, чем в контроле (снижение толерантности к глюкозе). При этом количество инсулина в крови таких самок было практически в два раза ниже, чем в контроле. С возрастом эти негативные изменения у дочерей ВЖД прогрессировали.
Нарушение способности эффективно усваивать глюкозу из крови могло быть связано с неспособностью поджелудочной железы вырабатывать нужные количества инсулина из-за каких-либо повреждений. Поэтому на следующем этапе исследования ученые проверили, не происходит ли каких-либо изменений в ?-клетках поджелудочной железы, производящих инсулин. Эти клетки входят в состав островков Лангерганса — скоплений клеток, вырабатывающих гормоны. Оказалось, что у самок ВЖД уменьшается размер этих островков, а также уменьшается пространство, занятое ?-клетками. Ученые предположили, что количества клеток хватает на поддержание глюкозы на нормальном уровне, однако они не справляются с синтезом инсулина при резком увеличении количества глюкозы в тесте с сахарной нагрузкой. Таким образом, питание самцов пищей с высоким содержанием жиров привело к тому, что у их дочерей оказалось меньше клеток, производящих инсулин. Поэтому они хуже справлялись с контролем концентрации сахара в крови.
Может ли в данном эксперименте уменьшение количества ?-клеток быть обусловлено генетическими причинами? Ученые проанализировали состояние генов клеток поджелудочной железы у самок ВЖД. Выяснилось, что изменилась работа 642 генов. У животных они ответственны за метаболизм глюкозы и инсулина, транспорт веществ в клетке и ее структуру. Механизмы, работа которых контролировалась этими генами, участвуют в развитии поджелудочной железы и выделении инсулина из клеток, в которых он синтезируется. Наиболее сильно изменялась экспрессия гена Il13ra2. Этот ген кодирует одну из белковых молекул, образующих рецептор интерлейкина-13 (Il13ra2 расшифровывается как «Interleukin 13 receptor, alpha 2», то есть рецептор интерлейкина-13, цепь альфа 2). Интерлейкин-13 играет роль в развитии иммунного ответа. Кроме того, известно, что большое количество рецептора интерлейкина-13 обнаруживается в раковых клетках, развившихся из клеток поджелудочной железы. Неясно, какую роль играет повышенная активность гена этого рецептора в нарушении работы ?-клеток. Очевидно, что за гибель ?-клеток отвечает нарушение работы комплекса генов. Выяснение этого механизма — дело дальнейших исследований.
Пока же ученые задались вопросом, за счет чего усилилась работа гена Il13ra2. Оказалось, что у здоровых мышей, в отличие от дочерей ВЖД, часть этого гена изменена специальным образом: в цитозин внесена метильная группа (это называется метилирование). Там, где у больных мышей в молекуле ДНК стоит цитозин, у здоровых — метилцитозин. С генов, участки которых метилированы, РНК перестают считываться, следовательно, нет и соответствующих белков. Получается, у больных мышей ген активирован из-за того, что подавляющая его активность модификация потеряна. Механизм метилирования хорошо известен биологам — он обеспечивает регуляцию активности генов не только у самого организма, но и у его потомков. Метилирование генов может воспроизводиться в ряду поколений, передаваясь от родителей к детям. Такой механизм наследования не зависит от последовательности букв в ДНК, он носит название эпигенетической наследственности.
Таким образом, диета с высоким содержанием жиров у отцов приводит к нарушению активности ряда генов у их дочерей. Следствием этого является нарушение развития ?-клеток, продуцирующих инсулин, а отсюда происходит недостаток инсулина и потеря способности контролировать количество глюкозы в крови. Механизм передачи нарушений от родителей к детям пока остается неясным. Очевидно, он должен быть связан с изменениями состояния ДНК сперматозоидов. Скорее всего, это эпигенетические изменения, так как нарушения у дочерей не случайны (случайные изменения характерны для мутаций, то есть для изменения «букв» ДНК). Было бы интересно узнать, насколько обратимы последствия ВЖД, а также длительность такой диеты, необходимой для развития отклонений у потомства. Загадочным остается и вопрос, почему нарушения были обнаружены прежде всего у самок.
Нам необходимо понять, как образ жизни сегодняшних поколений отражается на здоровье потомков. В современном мире распространение болезней, связанных с нарушением метаболизма (сахарного диабета, метаболического синдрома, ожирения), носит эпидемический характер. Могут ли эпигенетические механизмы наследственности объяснить его? На этот вопрос должны ответить дальнейшие исследования.
Источник: Sheau-Fang Ng, Ruby C. Y. Lin, D. Ross Laybutt, Romain Barres, Julie A. Owens, Margaret J. Morris. Chronic high-fat diet in fathers programs ?-cell dysfunction in female rat offspring // Nature. 2010. V. 467. P. 963–967.
Дмитрий Кирюхин
