Мутация вместо диеты: гренландцы и сахар
В преддверии праздников мы все реже думаем о работе и все чаще думаем о предстоящем застолье, о встречах с родными и друзьями, о выходных и, конечно же, о подарках. В современном мире купить кому-то подарок особого труда не составляет, были бы деньги. Множество магазинов, торговых центров, интернет-магазинов завалены товарами на любой вкус, цвет и кошелек. Даже в продуктовых супермаркетах на каждом углу выставлены стойки с новогодними декорациями, посудой и, конечно же, сладостями. Для родителей, которые отправляются за хлебушком в сопровождении своего чада, это настоящее минное поле. Когда ребенок начинает выпрашивать сладости, родители, не горящие желанием их покупать, частенько говорят, что много сладкого это вредно. В подавляющем большинстве случаев — это так, но с небольшим процентов гренландцев эта «отмазка» не прокатила бы. Ученые из Копенгагенского университета выявили необычный генетический вариант (мутацию) среди некоторых жителей Гренландии, который разительно снижает вред сахара. Воистину, мутация, которой был бы рад любой сладкоежка. Как возникла эта мутация, каковы ее преимущества и недостатки, и как это открытие можно применить в медицине? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.
Основа исследования
Соль — это белая смерть, а сахар — сладкая. Такую фразу можно часто услышать от людей, ведущих (или пытающихся вести) здоровый образ жизни. И для подавляющего большинства людей подобные утверждения будут правдивы, хоть и не так драматичны. А фразу «мы — это то, что мы едим» можно интерпретировать как то, что от питания зависит состояние здоровья, что вполне логично.
Метаболическое здоровье определяется не только гастрономическими предпочтениями, но и генетическими факторами. Следовательно, понимание того, как метаболизируются и используются различные питательные компоненты, может определить пути, важные для поддержания или улучшения метаболического здоровья.
Для большинства людей углеводы являются основным компонентом питания. Углеводы в основном попадают в организм в виде крахмала и сахаров. Для львиной доли населения планеты самым распространенным источником сахаров является сахароза.
При приеме внутрь углеводы в виде крахмала и сахара должны расщепляться на моносахариды, чтобы перемещаться по эпителию кишечника и усваиваться организмом. Этот процесс инициируется α-амилазами во рту и завершается в тонком кишечнике α-глюкозидазами, мальтаза-глюкоамилазой (MGAM от maltase-glucoamylase) и сахараза-изомальтазой (SI от sucrase-isomaltase). Данные пищеварительные ферменты являются одной из мишеней антидиабетических ингибиторов α-глюкозидазы акарбозы, воглибозы и миглитола. Эти препараты уменьшают разложение крахмала и сахаров, тем самым уменьшая количество глюкозы, всасываемой в кровь. Акарбоза в основном ингибирует α-амилазы и частично мальтазу и сахарозу, тогда как миглитол и воглибоза связывают все четыре субъединицы α-глюкозидазы, но не имеют или имеют очень ограниченное сродство к α-амилазам.
Но эти препараты, естественно, являются искусственными методами подавления ферментов. Природные же эквиваленты, выраженные в генетических вариантах, которые нарушают функцию MGAM и SI, могут помочь указать на эффект специфического воздействия на эти ферменты.
Дефицит MGAM и SI часто связывают с нарушением пищеварения и тяжелыми желудочно-кишечными симптомами у детей. Врожденный дефицит сахаразы-изомальтазы (CSID от congenital sucrase isomaltase deficiency) связан с рядом симптомов у детей (диарея, боль и вздутие живота), однако нет данных касательно взрослых. Среди населения планеты CSID встречается крайне редко, за исключением арктических популяций, где это заболевание имеет предполагаемую распространенность до 10%.
Недавние исследования показали, что генетический вариант c. 273–274delAG в гене сахараза-изомальтазы (SI) может привести к полной потере функции SI. Ученые считают, что гомозиготные носители этого варианта представляют собой природные нокауты SI человека, что облегчает оценку последствий целевого ингибирования SI для здоровья. Другими словами, оценка врожденного нокаута SI может помочь в разработке искусственного эквивалента.
Посему ученые решили провести ряд опытов и наблюдений, в которых приняли участие жители Гренландии (6551 человек) с природным нокаутом SI и мыши с искусственным нокаутом сахаразы-изомальтазы (Sis-KO).
Подготовка к опытам
Испытуемые были разделены на две группы. В группу I вошли гренландцы, проживающие в Гренландии, по результатам опросов населения в 1999–2001 гг. (B99; N = 1401) и 2005–2010 гг. (IHIT; N = 3115), а также гренландцы, проживающие в Дании по данным исследования B99 (BBH; N = 547). Группа II была собрана в 2013 году как популяционная выборка гренландцев (N = 1629).
В группе I были проведены измерения антропометрических параметров, концентрации липидов сыворотки (натощак), аполипопротеинов AI и B в плазме, а также уровни жирных кислот. Дополнительно были измерены индекс массы тела (BMI от body mass index), процент жира, безжировая масса, липопротеины низкой плотности (LDL от low density lipoprotein), липопротеины очень низкой плотности (VLDL от very low-density lipoprotein) и остаточный холестерин (остаточный липопротеин).
Все участники подгруппы IHIT старше 18 лет и подгруппы B99 старше 35 лет прошли пероральный тест на толерантность к глюкозе (OGTT от oral glucose tolerance test). Были измерены сывороточный инсулин, глюкоза плазмы, сывороточный c-пептид и HbA1c. Была проведена оценка модели гомеостаза инсулинорезистентности (HOMA-IR от homeostasis model assessment of insulin resistance). На основе данных OGTT были выявлены здоровые испытуемые (контрольная группа) и испытуемые с диабетом 2-ого типа.
Суточное потребление макроэлементов, выбранных видов углеводов и жиров, а также общая энергия рассчитывалась на основе данных из вопросников о частоте приема пищи и опубликованных таблиц питания. Информация об общем состоянии здоровья участников и здоровье желудочно-кишечного тракта была получена из анкет.
В группе II были проведены измерения роста, веса и BMI. Образцы для измерения метаболитов сыворотки и образцы плазмы для измерения щелочной фосфатазы, альбумина, аспартатаминотрансферазы и билирубина были собраны без предварительного голодания.
SI вариант (мутация) c. 273–274delAG был генотипирован с использованием метода генотипирования KASP у 4922 и 1629 человек из группы I и II, соответственно.
Для опытов на мышах использовались особи в возрасте 8–29 недель, разделенные на группы: мыши дикого типа (Sis-WT, n = 9), т.е. без каких-либо обработок, и мыши с нокаутом SI (Sis-KO, n = 13). Самцов (n = 6 Sis-WT, n = 7 Sis-KO) содержали в индивидуальных клетках, а самок (n = 3 Sis-WT, n = 6 Sis-KO) помещали в общую клетку.
Мыши имели неограниченный доступ к пище с высоким содержанием жиров (12.6 ккал% сахарозы; HFS), низким содержанием жиров (17 ккал%; 17S) и пище без сахарозы (NS). Также были мыши, получавшие пищу с высоким содержанием жиров, но без сахарозы (HFNS). Наблюдения за мышами проводились в течение 8 недель.
Мышам вводили пероральный желудочный зонд с сахарозой (3 г/кг) после ночного голодания. Для теста на толерантность к сахарозе кровь брали из хвостовой вены мышей Sis-WT (n = 7) и Sis-KO (n = 7) и определяли уровень глюкозы в крови с помощью глюкометра на 0, 15, 30, 60 и 120 минуте после теста.
Для количественного определения ацетата плазмы и превращения сахарозы в короткоцепочечные жирные кислоты 75 мкл крови собирали из Sis-WT (n = 5) и Sis-KO (n = 7) с помощью ретроорбитального кровотечения.
Потребление пищи рассчитывалось понедельно путем взвешивания количества каждой партии пищи, предоставляемой мышам в начале недели, и осмотра клеток в конце недели. Также поводились измерения антропометрических параметров (как и у людей-испытуемых).
Результаты наблюдений за людьми
Первым делом ученые оценили частоту выявления варианта c. 273_274delAG у гренландцев и других популяций. В группе I и группе II вариант c. 273_274delAG встречался в 14.2% и 14.1% случаев, а количество гомозиготных носителей составляло 99 и 34 соответственно. Учитывая, что население Гренландии весьма смешанное, у 20% испытуемых из группы II было выявлено наличие инуитских предковых аллелей.
В попытке выявить c. 273_274delAG в популяциях со всего мира по общедоступным наборам данных ученые установили, что частота его проявления практически нулевая в неарктических популяциях, за исключением сибиряков.
Далее была проведена оценка и сравнение антропометрических и метаболических признаков испытуемых. В группе I гомозиготные носители варианта c. 273_274delAG имели более здоровый метаболический профиль, а результаты полной модели показали, что эти эффекты были в основном рецессивными (изображение №1).
Изображение №1
В частности, с помощью рецессивной модели было обнаружено, что гомозиготные носители имели значительно более низкий BMI (-2.0 кг/м2), меньшую окружность талии и бедер (-4.9 см и -3.3 см) и меньший вес (-4.8 кг).
У гомозиготных носителей также было меньше жира (подкожная жировая ткань: -0.70 см и процент жира: -3.3%) и более здоровый липидный профиль (триглицерид: -0.27 ммоль/л; остаточный холестерин: -0.11 ммоль/л; VLDL: -0,13 ммоль/л).
Между генетическим вариантом и риском диабета 2-ого типа не было обнаружено связи. Также не было выявлено каких-либо признаков, связанных с гомеостазом глюкозы.
В группе II картина была примерно такой же, за исключением чуть более низкого уровня триглицеридов. Более того, маркеры здоровья печени показали значительно более низкие уровни щелочной фосфатазы среди гомозиготных носителей (-15.41 ед/л).
Чтобы лучше понять влияние варианта c. 273_274delAG, ученые проверили ассоциации с циркулирующими метаболическими маркерами, измеренными с помощью ЯМР-спектроскопии. Любопытно, что у гомозиготных носителей наблюдались заметно более высокие уровни циркулирующего ацетата (0.056 ммоль/л), но не было значительной связи с маркерами гликолиза.
Изображение №2
Что касается липопротеинов, то генетический вариант оказал самое сильное влияние на метаболизм липопротеинов высокой плотности (HDL от high density lipoprotein) (изображение №2) со значительно более высокими концентрациями очень больших HDL частиц и значительно более высокое содержание свободного холестерина, сложных эфиров холестерина, общего холестерина, общих липидов и фосфолипидов.
На основе данных ЯРМ-спектроскопии (спектроскопия ядерного магнитного резонанса) группы II была выполнена оценка состава жирных кислот в сыворотке. По отношению к общему количеству жирных кислот у гомозиготных носителей были обнаружены более высокие уровни полиненасыщенных жирных кислот (PUFA от polyunsaturated fatty acid), общее количество жирных кислот омега-6 и линолевой кислоты, а также более низкие уровни мононенасыщенных жирных кислот (MUFA от monounsaturated fatty acid).
Изображение №3
В анкетах, описывающих состояние здоровья всех испытуемые, не было обнаружено каких-либо указаний на симптомы ЖКТ. Также было установлено, что у гомозиготных носителей из группы I риск ишемической болезни сердца и сердечной недостаточности гораздо ниже, хоть этот показатель и нельзя считать статистически значимым (изображение №3).
В группе I ежедневное усваивание сахара, т.е. сахарозы, было значительно ниже среди гомозиготных носителей. При этом не было обнаружено существенных различий в усваивании белка, жира (в том числе и MUFA, и PUFA), насыщенных жиров или углеводов.
Далее ученые проверили, может ли более низкий уровень усваивания сахара среди гомозиготных носителей c. 273_274delAG объяснить их более здоровый метаболический фенотип. Однако ассоциации с антропометрическими и метаболическими признаками остались на прежнем уровне даже после корректировки уровней усваиваемого сахара (до средних по испытуемым уровней).
Результаты опытов на мышах
Дабы лучше понять наблюдаемые у людей отличия, вероятно связанные с c. 273_274delAG, ученые провели опыты на мышах с нокаутом сахаразы-изомальтазы (Sis-KO). Имитируя питание среднестатистического жителя западного мира, мышей в течение 8 недель кормили пищей с богатым содержанием высоким содержанием жира (12.6% сахарозы), низким содержанием жира (17% сахарозы) или низким содержанием жира без сахарозы.
Изображение №4
Сравнительный анализ не выявил разницы в общем потреблении калорий (4A) между мышами Sis-KO (нокаут сахаразы-изомальтазы) и Sis-WT (контрольная группа без нокаута).
Несмотря на одинаковый уровень потребляемых калорий, у Sis-KO мышей по сравнению с мышами Sis-WT был значительно меньший набор веса и более низкий процент жира в организме, но аналогичный прирост безжировой массы (4B-4D).
Чтобы исследовать влияние сахарозы в рационе, ученые повторили эксперимент, но теперь и мыши Sis-KO, и мыши Sis-WT имели неограниченный доступ к пище с высоким содержанием жиров без сахарозы (длительность наблюдений также составила 8 недель).
Опять же, общее потребление калорий за 8 недель было одинаковым у мышей Sis-KO и Sis-WT (4E), но без сахарозы в рационе не наблюдалось различий в приросте веса, фракции жира или приросте мышечной массы между Sis-KO и Sis-WT мышами (4F-4G).
Для дальнейшего изучения механизма, лежащего в основе наблюдаемого фенотипа, мышам Sis-KO и Sis-WT через желудочный зонд вводили 3 г/кг сахарозы после 12-часового голодания.
Через 4 и 6 часов после введения уровни ацетата в плазме у мышей Sis-KO повысились до уровня, в несколько раз превышающего уровень у мышей Sis-WT. Отдельный эксперимент с желудочным зондом показал, что мыши Sis-KO по сравнению с мышами Sis-WT усваивали меньше сахара в ответ на 120-минутный тест на толерантность к сахарозе, что привело к более низким уровням глюкозы в плазме.
Вышеописанные наблюдения говорят о том, что отсутствие функции SI у взрослых людей и мышей связано с измененным поглощением и метаболизмом пищевых компонентов, что приводит к более здоровому метаболическому фенотипу, опосредованному снижением всасывания сахарозы в кишечнике, а также повышенным уровнем циркулирующего ацетата.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые изучили необычный генетический вариант (т.е. мутацию) c. 273_274delAG, наблюдаемый у очень малого процента населения планеты. Чаще всего этот вариант встречается среди жителей Гренландии и проявляется в изменении механизма усваивания сахара.
Наблюдения за людьми, у которых присутствует этот вариант, показали, что у них имеется недостаточность сахаразы-изомальтазы. Ввиду этой аномалии сахар не поглощается в кровь, а попадает в кишечник напрямую. Находясь в кишечнике, сахар перерабатывается бактериями в короткоцепочечную жирную кислоту (ацетат), которая, как было показано в предыдущих исследованиях, снижает аппетит, увеличивает метаболизм и укрепляет иммунную систему. Эти наблюдения были подтверждены опытами на мышах, в которых приняли участие две группы особей: с искусственным нокаутом сахаразы-изомальтазы и мыши без нокаута.
Любопытно и то, что подобная генетическая аномалия хоть и имеет ряд преимуществ для взрослого населения, все же несет ряд проблем для детей. Молодые носители генетического варианта испытывают негативные последствия из-за нестандартного типа усвоения сахара, что проявлеятся в виде диареи, болей и вздутия живота. Ученые считают, что с возрастом кишечные бактерии внутри носителя c. 273_274delAG постепенно привыкают к сахару и «учатся» перерабатывать его.
Достигнув определенного возраста человек перестает страдать от симптомов ЖКТ и наоборот получает пользу от генетического варианта c. 273_274delAG. Анализ данных показал, что гренландцы, обладающие двумя копиями c. 273_274delAG (т.е. от обоих родителей), имеют меньший вес, более низкий процент жира и меньше триглицеридов в крови, являющихся маркером риска сердечно-сосудистых заболеваний и проблем с холестерином.
Причина наличия такой мутации пока толком не ясна. Ученые предполагают, что это может быть связано рационом питания предков гренландцев, которые питались в основном мясом и жиром оленей, рыб, китов и тюленей. Другими словами, в их пище содержание сахара было минимальным. Но эту гипотезу еще предстоит проверить.
Как бы то ни было, данное открытие может стать фундаментом в разработке новых препаратов для борьбы с ожирением и заболеваниями сердечно-сосудистой системы.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и с наступающим, ребята. :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
