ПРОБЛЕМНІ СТАТТІ

ГЕНОМНО-ПРОТЕОМНА ПАРАДИГМА В НУТРИЦІОЛОГІЇ

В.І. Смоляр, доктор мед. наук, професор

Національний університет харчових технологій, Київ


РЕЗЮМЕ. Расшифровка генома человека, развитие геномики, протеомики и метаболомики расширили концептуальную базу науки о питании и способствовали возникновению новой геномно-протеомной парадигмы, в соответствии с которой физиологические потребности в энергии и пищевых веществах являются интегральным отображением участия генома в экспрессии генов, в клеточном обмене веществ. Биосинтез ферментов в клетках запускает обмен веществ. Геном контролирует химический состав пищи c помощью синтеза ферментов и кофакторов на уровне протеома.

SUMMARY. The discovery of human henome sequences, henomic, proteomic and metabolomic developments increased a conceptual basis of nutritiology and promoted of origin of new henomic-proteomic paradigm in which physiological requirements in energy and nutrients has integral reflection of henome participation in hene expression, in cellular metabolism. Enzime biosynthesis start up a cellular metabolism. Henome control of chemical composition of food realized with the help of enzymes and cophactors of proteomic level.


Протягом останніх років виникло чітке уявлення, що концептуальна база науки про харчування ще недостатньо розроблена, а її парадигма повинна бути змінена [1].

У ХХ ст. панувала теорія збалансованого харчування, згідно з якою забезпечення організму поживними речовинами здійснюється за рахунок руйнування харчових структур їжі кишковими ферментами з подальшим їхнім всмоктуванням, що необхідно для їх наступного метаболізму в клітинах, накопичення енергії і забезпечення нею усіх проявів діяльності людського організму [2].

Балансовий підхід широко використовувався для обґрунтування фізіологічних потреб людини в енергії та харчових речовинах. У такий спосіб були створені зразкові раціони для різних вікових і професійних категорій населення, відбувся бурхливий розвиток харчової промисловості, сформульовані основні положення в дієтології, зроблені спроби формування елементарного та парентерального харчування, визначені балансові співвідношення між основними харчовими речовинами в харчових раціонах і продуктах. Разом з тим, впровадження балансового підходу до вирішення проблем раціонального харчування населення сприяло збільшенню використання тваринної продукції, надмірному споживанню жирів, одержанню рафінованих продуктів, що привело до поширення багатьох хронічних неінфекційних захворювань (серцево-судинних хвороб, окремих форм раку, цукрового діабету, карієсу зубів, ожиріння та ін.).

Внаслідок краху основних положень теорії збалансованого харчування виникла своєрідна криза, яка послабила роль існуючої парадигми. Ознакою критичної ситуації в науці про харчування можна вважати зростання інтересу до "аномалій", тобто до фактів, які не укладаються в рамки пануючої теорії. Історичний досвід розвитку науки свідчить про те, що найчастіше перспективними виявляються якраз ті напрями, які носять характер деякого синтезу, а також пограничні напрями, які виникають на межі різних дисциплін. Для визначення напряму вірогідного прориву в науці потрібно мати на увазі нерозривний зв`язок різних галузей науки, а також залежність розвитку науки від технологічного та соціального прогресу.

На межі ХХ і ХХІ ст., після розшифрування ядерного геному людини, виникли нові напрями молекулярної медицини — протеоміка, метаболоміка, а також закладені основи нового розділу в науці про харчування — нутріентгеномної взаємодії [3–5]. З'ясувалось, що геном людини вкрай нестабільний і залежить від стану харчування, вмісту харчових поживних і токсичних речовин, гостро реагує як на відсутність поживних речовин (амінокислот, білків, вітамінів, мікроелементів), так і на присутність в ньому токсикантів різного походження. Адже функція, яку виконує переважна більшість генів — це забезпечення клітин ферментами та кофакторами у потрібних кількостях, пропорціях і часовій послідовності, що необхідно для здійснення в них безперервного обміну речовин. Оскільки ферменти — це сполуки білкової природи, то відсутність будь-якої незамінної амінокислоти або кофакторів гальмує їх біосинтез. Зрозуміло, що гени здійснюють функцію біосинтезу білків лише за умов, якщо в клітині відбувається нормальний обмін речовин (гомеостаз). В кожній клітині організму знаходиться кілька сотень, а може, навіть кілька мільйонів білків. Тому вони можуть бути маркерами харчового статусу, а також багатьох захворювань.

Накопичена на даний час інформація з геноміки дозволяє вбачати першорядну роль ядерного геному в обміні речовин (як основи життєдіяльності людини), виникнення аліментарних і неаліментарних захворювань (внаслідок "поломок" обміну речовин) та їх лікування (в результаті корекції цих "поломок" харчовими речовинами та лікарськими засобами).

Розшифрування геному людини стимулювало інтенсивний розвиток протеоміки. З'ясовано, що білок є кінцевим акцептором генетичної інформації і основним елементом, який реалізує її у конкретну фізіологічну функцію (через складну послідовність біохімічних реакцій). Результати подальших досліджень дозволили побудувати загальну схему синтезу білкових молекул. З'ясувалось, що цей процес охоплює всі біохімічні механізми і реакції в клітинах. Його складність є, з одного боку, перевагою, тому що забезпечує високу надійність, а з іншого — недоліком, оскільки, виходячи з його багатоетапності та багатостадійності, надає "лазівки" для виникнення найрізноманітніших ушкоджень, тобто патологічних станів.

Розшифрування механізмів біосинтезу білка на молекулярному рівні дало можливість довести ключову роль ядерного геному в процесах клітинного метаболізму.

Тепер отримано інформацію щодо рівня експресії тисяч генів під впливом тієї чи іншої харчової речовини чи токсину. Одержані десятки схем експресії генів у відповідь на дію окремих токсичних речовин, і накопичуються відповідні бази даних.

Як з'ясувалось, якраз харчові речовини є факторами, які регулюють вміст різних білків у клітинах за рахунок регуляції експресії 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. Як відомо, харчування діє постійно — кілька разів на день протягом усього життя людей — і тому є провідним фактором дії на ядерний геном і білковий склад клітин. Потрібний процес оновлення білків є основою фундаментального процесу живих організмів. Якраз необхідність оновлення білкового складу клітин і лежить в основі формування потреби усіх живих організмів, і в т.ч. людини, в постійному надходженні суворо визначеної кількості енергії та харчових речовин із зовнішнього середовища, тобто в постійному раціональному харчуванні. Нутригеноміка наголосила на тому, що ступінь забезпеченості харчовими речовинами впливає як на рівні геному, так і на рівні протеому. Отже, постає важливе завдання — уже на рівні геному та протеому людини визначити або підтвердити так звані фізіологічні норми харчування.

Останнім часом інтенсивно розвивається напрям, що визначає нутрієнтгеномні взаємодії (табл. 1).

Наявність ґрунтовних доведень участі ядерного геному в розвитку клітинної патології дозволило вважати, що аліментарні захворювання мають в своїй основі пряму або опосередковану участь ядерної ДНК (рис. 1). У випадку харчових токсикозів, радіації процес починається з дії хімічних токсикантів на ядерну РНК (рис. 2). Внаслідок складного ланцюга біохімічних процесів ускладнюється регуляція процесів реплікації і транскрипції ДНК, метаболізм клітини змінюється від контрольованої реплікації і вибіркової транскрипції певних білків до контрольованої реплікації ДНК (клітинної малігнізації, тобто утворення пухлин) [6, 7]. Останнім часом стає все більш очевидною участь активних форм кисню в пошкодженні ДНК, який має надзвичайно високу реакційну здатність, зумовлену утворенням так званих вільних радикалів. Активно включаючись у процеси клітинного метаболізму, ці вільнорадикальні форми кисню здатні викликати пошкодження клітинних біомолекул, перш за все ядерних ДНК. Встановлено, що окисне пошкодження ДНК зумовлено утворенням замінних, окислених форм азотистих основ, послідовність яких визначає специфіку клітинного обміну речовин. Подібні зміни призводять до виникнення мутацій, тобто змінених ділянок ДНК, які викликають або відсутність синтезу повноцінних білків, характерних для даної клітини, або синтез дефектних білків, чия поява веде до розвитку тієї чи іншої патології [3].

Згідно з еволюційним вченням Ч. Дарвіна, пристосованість первісної людини до певних умов харчування — це результат тривалої еволюції, мутаційної зміни організму та відбору найбільш пристосованих видів. Причому пристосування регуляторних систем організму до умов харчування відбувалось на різних рівнях організації: від молекул білків та ферментів до найскладніших систем, які регулюють харчову мотивацію.

Протягом еволюції у процесі мутаційної зміни люди втрачали здатність до синтезу кето-сполук, необхідних для утворення багатьох аміносполук, оскільки шляхи біосинтезу амінокислот знаходяться за межею таких універсальних і життєво важливих обмінних процесів, як гліколіз та цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса). Втрата здатності до синтезу цих амінокислот не супроводжувалась припиненням життєво необхідних для організму біохімічних процесів. Більше того, ця втрата здатності до синтезу амінокислот могла бути навіть корисною для енергетичних ресурсів організму і, можливо, для перетворення генів, які піддалися мутації, у нові гени, необхідні організму в новій ситуації.

В плані геномної парадигми важливо прослідкувати формування типів харчування. Це зручно здійснити, аналізуючи типи харчових раціонів, які еволюційно склалися в різних регіонах світу.

У відповідності з моделями споживання харчових продуктів в різних регіонах світу, експерти ФАО вирізняють вісім глобальних типів харчових раціонів: європейський, східносередземноморський, північноафриканський, африканський, центральноамериканський, південноамериканський, далекосхідний, китайський.

Середні величини споживання харчових продуктів, вирахувані для кожного типу харчового раціону та для кожної групи продуктів в кг/рік, наведені в таблиці 2. З таблиці видно, що для багатьох продуктів (наприклад, для молока) існує широкий спектр величин споживання, для інших (наприклад, злакових), навпаки, коливання менш значні. Ці варіації споживання зумовлюють надходження різних кількостей нутрієнтів в організм людини.

Доведено, що варіабельність споживання зумовлена генетичною структурою населення. При нестачі їжі накопичуються мутації, які переривають окремі шляхи обміну речовин, що стали непотрібними. Це можна спостерігати на прикладі ескімосів — аборигенів Гренландії, які внаслідок багатовікового м'ясного харчування втратили здатність виробляти ферменти, які розщеплюють крохмаль та вуглевод грибів трегалозу. Крім того, у них виникло порушення шляхів обміну жирних кислот на рівні дії ферментів десатураз, що робить їх залежними від надходження ряду ненасичених жирних кислот із м'ясом тварин.

Отже, недостатнє і неповноцінне харчування призводить до неповної реалізації генетичної інформації, що проявляється порушеннями росту, розвитку, певними адаптивними особливостями обміну речовин і навіть скороченням тривалості життя людей.

У народів Крайньої Півночі також втрачена або ослаблена здатність перетворювати лінолеву кислоту на арахідонову. Їхній організм виробив генетичну залежність від надходження арахідонової кислоти з м'ясною їжею. Організм європейців менш пристосований до дефіциту кальцію, тому для них важливим є високий рівень молока у харчуванні. Цей тезис підтверджується і меншою поширеністю дефіциту лактази в кишечнику (алактазія) у європейців порівняно з жителями Африки. Отже, в процесі еволюції будь-які зміни у харчуванні приводили до зміни числа і співвідношення окремих генів, які приймають участь в асиміляції їжі або зв'язані потребами в харчових речовинах. Тому єдиний шлях удосконалення харчування — це його індивідуалізація з врахуванням експресії генів і протеоміки.

Харчовий статус — це результуюча характеристика стану харчування, складу тіла, інтенсивності процесів обміну на рівні цілісного організму [8]. Для оцінки харчового статусу раніше використовували багатофакторний методичний підхід, який умовно можна поділити на кілька етапів (рис. 3).

Перший етап зумовлював вивчення стану фактичного харчування. Для його вивчення використовують кілька методів: опитувально-ваговий, анкетно-опитувальний та метод 24-годинного відтворення харчування. Тепер для оцінки стану фактичного харчування використовують сучасні комп'ютерні програми. Далі, в процесі обстеження, оцінюють стан пацієнта, зокрема, симптоми, які можуть бути зв'язані з дефіцитом або надлишком окремих поживних речовин.

Другий етап обумовлював загальну оцінку складу тіла за критеріями стану харчування. Виконували антропометричні дослідження (ріст, маса тіла, окружність грудної клітки), а також дослідження з використанням таких сучасних методів, як імпедансметрія і остеоденситометрія.

Третій етап обумовлював оцінку енергетичного обміну (методами прямої і непрямої калориметрії), основного обміну або есенційного термогенезу, який являє собою енергію, що виділяється в процесі підтримання динамічного балансу між катаболізмом і анаболізмом та забезпечує збереження структур клітини й мінімальне функціонування органів і систем у стані спокою.

Четвертий етап включає в себе дослідження біохімічних маркерів харчового статусу, які дозволяють виявити доклінічні форми порушення харчування і забезпеченості організму харчовими речовинами і енергією, що не проявляються зовнішніми клінічними симптомами. Методи визначення біохімічних маркерів харчового статусу поділяють на статичні і функціональні. Статичні методи включали аналіз вмісту харчових речовин або їх метаболітів в біологічному матеріалі. Вони більш-менш адекватно відображали вміст харчової речовини в цілому організмі або у тій його частині, в якій оновлення запасів харчової речовини виникало найшвидше в разі недостатнього або надлишкового надходження з їжею. Як з'ясувалось, на результати і інтерпретацію статичних біохімічних тестів впливало багато факторів, зокрема, добові коливання концентрації, гормональний статус, інфекційні і запальні процеси, використання ліків тощо. Функціональні методи включали визначення активності специфічних ферментів або концентрації специфічних компонентів, активність або утворення яких залежить від біологічних функцій харчових речовин; аналіз метаболітів-ксенобіотиків, які накопичились в разі дефіциту харчових речовин, навантажувальні проби, балансові дослідження, зокрема методи з використанням стабільних ізотопів. У цілому для характеристики харчового статусу визначалось до 40 незамінних нутрієнтів, включаючи 13 вітамінів, 14 мікроелементів і велику кількість метаболітів, ферментів, гормонів.

Для адекватної оцінки багатофакторних змін метаболізму необхідно було використати існуючі та розробити нові сумарні принципи оцінки імунного статусу, протиокисного балансу, ліпідного, білкового, вуглеводного обмінів.

З наведеного зрозуміло, що вирішення проблеми реальної оцінки харчового статусу можливе лише за умов використання високотехнічних інструментальних методів дослідження, а також розробки єдиних інтегральних критеріїв оцінки одержаних результатів [4]. Подібний підхід потребує консолідації зусиль великої групи фахівців різного профілю — фізіологів, біохіміків, клініцистів з метою стандартизації підходів до оцінки харчового статусу населення для подальшої розробки науково обґрунтованих принципів оптимізації харчування здорової і хворої людини.

Складна система проведення досліджень метаболізму серйозно ускладнювала роботу нутриціоністів під час вивчення харчового статусу. Особливо вона обмежувала використання індивідуального харчування при різних захворюваннях. Відсутність показників для оцінки індивідуального харчового статусу також обмежувала використання лікувальних чинників харчування [9].

Вирішення проблем вивчення харчового статусу полягає у використанні нового потужного напряму, який одержав назву нутриметаболоміка [2, 5]. Метаболоміка — це новий метод дослідження хімічного складу тканин і рідин людського організму. Адже будь-який організм має свій унікальний метаболізм, який можна дослідити з допомогою ядерного магнітного резонансу та масової спектрометрії. Метаболоміка являє собою цілісний підхід до вивчення процесів метаболізму в організмі людини. Цю технологію можна використати для одержання інформації про ефективність і токсичність продуктів, їхніх компонентів, ліків; для клінічної діагностики аліментарних захворювань, зокрема авітамінозів; мікроелементіз; для вивчення функціонування генів.

Технологія метаболоміки має великі потенційні можливості. Років через десять візит до лікаря може виглядати зовсім по-іншому. Єдиний аналіз крові або сечі за кілька хвилин розкаже лікарю, дефіцит яких харчових речовин має пацієнт і чим може захворіти і навіть те, які харчові продукти і ліки будуть найбільш ефективні.

Дослідження інформації про життя клітини, відображене у динаміці і структурі її метаболізму, є не менш важливим, ніж дослідження генетичної інформації. Вони відносяться до більш складного і ще недостатньо розробленого, але інтенсивно прогресуючого напряму в біоінформатиці і зв'язані з теоретичним дослідженням метаболічних систем клітини. Основними проблемами цього напряму є дослідження структурної організації мереж метаболічних потоків, з'ясування принципів їхньої регуляції і визначення регулярних інваріантів, які забезпечують гомеостаз в мережах метаболічних потоків.

Метаболоміка — це фундаментальна основа для корекції ланцюгів клітинного метаболізму при різних захворюваннях. Вона має велике значення для діагностики захворювань серця. Так, швидкий аналіз крові може передбачити захворювання серця. Вчені Лондонського імперського коледжу і Кембріджського університету розробили технологію швидкого і дешевого аналізу крові, який допоможе попередити серцевий напад. Для аналізу необхідно лише кілька крапель крові. Магнітні характеристики молекул крові аналізують за допомогою комп'ютерної програми, здатної виявити порушення сигналів, які свідчать про можливість серцевого нападу.

Як відомо, у наш час найефективнішим методом діагностики коронарних захворювань є ангіографія. Але ця процедура кошторисна і достатньо складна. Зрідка ангіографія може викликати інсульт і ураження нирок. Кожен рік тисячі людей помирають від серцевого нападу. Багато життів можна було б врятувати, якби існували швидкі і дешеві способи виявлення таких хворих. Якраз використовуючи метаболоміку, лікарі зможуть врятувати багато життів. Новий метод зможе еволюціонувати кардіотерапію. Метаболоміка має низку переваг порівняно з іншими методами аналізу, оскільки дозволяє працювати із стандартними зразками сироватки крові, плазми, сечі і не вимагає попередніх спеціальних способів їхньої підготовки.

Основоположником метаболоміки вважають професора Джеремі Ніколсона, керівника групи з дослідження метаболізму Лондонського імперського коледжу. Згідно з його методикою, досліджуючи біологічні матеріали (сеча, кров), слідкують за найдрібнішими змінами в процесі обміну речовин — складним взаємозв'язком тисяч реакцій, які проходять в організмі людини і які викликають патологічні зміни.

Використовуючи ядерно-магнітну резонансну спектроскопію, визначають повний хімічний склад крові та сечі, створюють графічні образи захворювань. У лабораторії Ніколсона встановлені 4 магніти, які направляють магнітне поле, що у сотні тисяч разів перевищує магнітне поле Землі, на об'єкт дослідження — сечу чи кров. Робот бере зразок біологічного матеріалу і вводить його в серцевину одного з магнітів. В залежності від середовища кожне ядро водню — протон — обертається з особливою частотою: ця "резонансна" частота є його ідентифікаційною характеристикою. Під час роздрукування результатів аналізу зразка біологічного матеріалу на графіку виявляється приблизно 10 тисяч зубців, які порівнюють із типовим зразком. Потім ці дані аналізують із допомогою комп'ютерної програми, яка дозволяє виявити сигнал, який відхилився від норми. Процедура триває лише кілька хвилин.

Майбутнє нутриметаболоміки — це використання молекулярних методів, орієнтованих на індивідуальний вибір харчового засобу та його дози [6]. Метаболоміка може допомогти вирішити нагальні завдання практичної охорони здоров'я, оскільки буде сприяти виявленню оптимальних мішеней для дії, відсіву неперспективних сполук ще на попередніх етапах розробки, а також цілеспрямованому відбору груп людей для оптимального проведення натурних спостережень.

Сучасні діагностичні дослідження з використанням показників стану оксидантного профілю крові в умовах клініки необхідні з метою оптимізації нутриєнтної профілактики серцево-судинних захворювань на основі використання фітохімічного збалансування продуктів харчування [10]. У зв'язку з цим необхідно зауважити, що пошук нестандартних методів скринінгу фітонутрієнтів в біологічному середовищі організму дозволить розробити сучасну парадигму раціонального харчування на основі використання молекулярних методик редокс-біохімії, мікрочіпової, протеомної і метаболомної технологій.

Ще в античну епоху, більш як 2500 років тому, Піфагор помітив, що вживання кінських бобів (Vicia fava) викликає захворювання, яке одержало назву "фавізм", але далеко не у всіх людей. Пройшло дуже багато сотень років, перш ніж було знайдено наукове пояснення цьому факту, встановленому античним вченим: гемолітичні кризи виникають лише у осіб з генетично детермінованим дефіцитом в організмі ферменту глюкозо-6-фосфатдегідрогенази (Г-6-ФДГ-аза). Подібні порушення можуть виникати в організмі також у разі приймання аскорбінової кислоти, нітратів, а також низки лікарських засобів — сульфаніламідів, фенілгідразину, фуразолідону, ацетилсаліцилової кислоти та ін. Тепер відомо багато ферментопатій. Так, недостатність ацетилтрансферази — ферменту, що переносить ацетильні групи — визначає неоднакову інтенсивність метаболізму ізоніазиду і високу варіабельність до нього організму людини. А недостатність каталази визначає високу чутливість до спиртних напоїв.

На основі виконаних метаболічних досліджень і спостережень на людях повинна бути створена концепція контролю споживання їжі людьми. Стара концепція виснаження drive стимулів споживання їжі повинна бути замінена на нову концепцію, направлену на попередження виснаження стимулів. Адже суть процесу приємного відчуття насичення і, навпаки, неприємних відчуттів від переїдання залишається до цих пір нез'ясованою. У відношенні цієї проблеми метаболоміка також може зіграти свою першорядну роль.

Потрібно рекомендовані величини потреби в харчових речовинах і енергії перевірити на їхній вплив на геномну стабільність [4].

Успіхи нутригеноміки привели до народження нової парадигми, згідно з якою:
1) Фізіологічні потреби в енергії є інтегральним відображенням участі геному в експресії генів та обміні речовин;
2) ядерний геном людини контролює хімічний склад їжі за допомогою клітинного синтезу ферментів та кофакторів на рівні протеому;
3) забезпечення харчовими речовинами організму людини відбувається за рахунок певної участі ядерного геному в процесах протеоміки та експресії генів, які первинно визначають як ступінь і вид руйнування харчових структур, так і всмоктування поживних речовин, необхідних для обміну і побудови тіла;
4) синтез ферментних білків в клітинах, як вияв експресії генів, запускає обмін речовин.

Лiтература
1. Возіанов О.Ф. Медична генетика, геноміка, генетична медицина — прогноз на найближче майбутнє // Мистецтво лікування. —2003. —№6. —С. 6–9.
2. Смоляр В.І. Сучасний розвиток нутригеноміки // Проблеми харчування. —2004. —№4. —С. 8–15.
3. Watkins S.M., German J.B. Metabolomics and biochemical profiling in drag discovery and development // Curr, Opin. Mol. Ther. —2002. —V. 4. —P. 224–228.
4. Fenech M. Recommended dietary allowances for genomic stability // Mutat. Res. —2001. —V. 480. —P. 51–54.
5. Brownstein M.J., Rhodursky A.K. Functional Genomics // Human Press. Totowa. —2003. —272 p.
6. Tomato consumption modulates oxidate DNA damage in humans / Rehman A., Boume L.C., Halliwell B., Rice-Evans C.A. // Biochem. and Biophys. Res. Commun. —1999. —V. 262, №3. —P. 828–831.
7. Lee C.-K., Kopp R.G., Weindrych R., Prolla T.A. Gene expression by calorie restriction // Science. —1999. —V. 285, №5432. —P. 1390–1393.
8. Методические подходы к оценке пищевого статуса / Васильев А.В., Аныкина Н.В. // VII Всероссийский конгресс "Здоровое питание населения России". —М., 2003. —С. 94–95.
9. Алгоритм определения пищевого статуса больных гипертонической болезнью сердца / Васильев А.В., Аныкина Н.В., Погожева А.В., Дмитриевская М.Н. // Там же, С. 93–94.
10. Martinet W., Knaapen M. Oxidative DNA damage and repair in experimental atherosclerosis are reversed by dietary lipid lovering // Circ. Res. —2001. —V. 88, №7. —P. 733–739.


| Зміст |