Mütterlicher Effekt - Maternal effect
Ein mütterlicher Effekt ist eine Situation, in der der Phänotyp eines Organismus nicht nur durch die Umgebung, die er erlebt, und seinen Genotyp bestimmt wird , sondern auch durch die Umgebung und den Genotyp seiner Mutter. In der Genetik treten maternale Effekte auf, wenn ein Organismus den vom Genotyp der Mutter erwarteten Phänotyp zeigt, unabhängig von seinem eigenen Genotyp, oft aufgrund der Zufuhr von Boten-RNA oder Proteinen durch die Mutter an die Eizelle. Mütterliche Auswirkungen können auch unabhängig vom Genotyp durch die mütterliche Umgebung verursacht werden, die manchmal die Größe, das Geschlecht oder das Verhalten der Nachkommen beeinflusst . Diese adaptiven mütterlichen Effekte führen zu Phänotypen der Nachkommen, die ihre Fitness erhöhen. Darüber hinaus wird das Konzept der phänotypischen Plastizität eingeführt , ein wichtiges evolutionäres Konzept. Es wurde vorgeschlagen, dass maternale Effekte für die Evolution adaptiver Reaktionen auf Umweltheterogenität wichtig sind.
In der Genetik
In der Genetik tritt ein mütterlicher Effekt auf, wenn der Phänotyp eines Organismus durch den Genotyp seiner Mutter bestimmt wird. Wenn zum Beispiel eine Mutation rezessiv auf die mütterliche Wirkung zurückzuführen ist , kann eine für die Mutation homozygote Frau phänotypisch normal erscheinen, ihre Nachkommen zeigen jedoch den mutierten Phänotyp, selbst wenn sie für die Mutation heterozygot sind.
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| Alle Nachkommen zeigen den Wildtyp-Phänotyp | Alle Nachkommen zeigen den mutierten Phänotyp | ||
Mütterliche Effekte treten häufig auf, weil die Mutter der Eizelle eine bestimmte mRNA oder ein bestimmtes Protein zuführt, daher bestimmt das mütterliche Genom, ob das Molekül funktionsfähig ist. Die mütterliche Versorgung des frühen Embryos mit mRNAs ist wichtig, da der Embryo in vielen Organismen anfänglich transkriptionell inaktiv ist. Aufgrund des Vererbungsmusters von Mutationen mit mütterlichem Effekt sind spezielle genetische Screens erforderlich, um sie zu identifizieren. Diese beinhalten typischerweise die Untersuchung des Phänotyps der Organismen eine Generation später als bei einem herkömmlichen (zygotischen) Screening, da ihre Mütter potenziell homozygot für auftretende Mutationen mit mütterlicher Wirkung sind.
Bei Drosophila frühe Embryogenese
Eine Eizelle von Drosophila melanogaster entwickelt sich in einer Eikammer in enger Verbindung mit einer Reihe von Zellen, die als Ammenzellen bezeichnet werden . Sowohl die Oozyte und die Nährzellen sind aus einem einzigen Keimlinien abstammen Stammzellen jedoch Zytokinese unvollständig in diesen Zellteilungen und das Zytoplasma der Nährzellen und die Eizelle wird durch Strukturen verbunden sind, wie bekannt Ringkanäle . Nur die Eizelle durchläuft eine Meiose und trägt DNA zur nächsten Generation bei.
Es wurden viele Drosophila- Mutanten mit mütterlicher Wirkung gefunden, die die frühen Schritte der Embryogenese wie die Achsenbestimmung beeinflussen , einschließlich Bicoide , Dorsal , Gurken und Oskar . Zum Beispiel können Embryonen von homozygoten bioiden Müttern keine Kopf- und Thoraxstrukturen produzieren .
Nachdem das Gen identifiziert wurde, das in der Bicoid- Mutante zerstört ist, wurde gezeigt, dass die Bicoid- mRNA in den Ammenzellen transkribiert und dann in die Eizelle relokalisiert wird. Andere Mutanten mit mütterlicher Wirkung beeinflussen entweder Produkte, die in ähnlicher Weise in den Ammenzellen produziert werden und in der Eizelle wirken, oder Teile der Transportmaschinerie, die für diese Verlagerung benötigt werden. Da diese Gene in den (mütterlichen) Ammenzellen und nicht in der Eizelle oder dem befruchteten Embryo exprimiert werden, bestimmt der mütterliche Genotyp ihre Funktionsfähigkeit.
Maternale Effektgene werden während der Oogenese von der Mutter exprimiert (exprimiert vor der Befruchtung) und entwickeln die anterior-posteriore und dorsale ventrale Polarität des Eies. Das vordere Ende des Eies wird zum Kopf; das hintere Ende wird zum Schwanz. die Rückenseite ist oben; die ventrale Seite ist unten. Die Produkte der mütterlichen Wirkungsgene, die mütterlichen mRNAs genannt werden, werden von Ammen- und Follikelzellen produziert und in den Eizellen (Oozyten) abgelagert. Zu Beginn des Entwicklungsprozesses werden mRNA-Gradienten in Oozyten entlang anterior-posteriorer und dorsaler ventraler Achsen gebildet.
Etwa dreißig mütterliche Gene, die an der Musterbildung beteiligt sind, wurden identifiziert. Insbesondere Produkte von vier mütterlichen Effektgenen sind für die Bildung der anterior-posterior-Achse kritisch. Das Produkt von zwei mütterlichen Effekt-Genen, bicoid und bucklig, reguliert die Bildung der vorderen Struktur, während ein weiteres Paar Nanos und kaudal ein Protein spezifiziert, das die Bildung des hinteren Teils des Embryos reguliert.
Das Transkript aller vier Gene - Bicoide, Bucklige, Schwanzflosse, Nanos wird von Ammen- und Follikelzellen synthetisiert und in die Eizellen transportiert.
Bei Vögeln
Bei Vögeln können Mütter in ihren Eiern Hormone weitergeben, die das Wachstum und das Verhalten des Nachwuchses beeinflussen. Experimente an heimischen Kanarienvögeln haben gezeigt, dass sich Eier, die mehr Dotterandrogene enthalten, zu Küken entwickeln, die mehr soziale Dominanz zeigen. Ähnliche Variationen des Androgenspiegels im Dotter wurden bei Vogelarten wie dem amerikanischen Blässhuhn beobachtet , obwohl der Wirkungsmechanismus noch geklärt werden muss.
In Menschen
Im Jahr 2015 veröffentlichte der Adipositastheoretiker Edward Archer "The Childhood Obesity Epidemic as a Result of Nongenetic Evolution: The Maternal Resources Hypothesis" und eine Reihe von Arbeiten zu mütterlichen Auswirkungen auf die menschliche Fettleibigkeit und Gesundheit. In dieser Arbeit argumentierte Archer, dass kumulative mütterliche Effekte über die nicht-genetische Evolution des matrilinealen Nährstoffstoffwechsels für die erhöhte globale Prävalenz von Fettleibigkeit und Diabetes mellitus Typ 2 verantwortlich sind . Archer postulierte, dass eine Abnahme der mütterlichen Stoffwechselkontrolle die Entwicklung der fetalen Pankreas- Betazellen , Adipozyten (Fettzellen) und Myozyten (Muskelzellen) veränderte, wodurch ein dauerhafter Wettbewerbsvorteil der Adipozyten bei der Aufnahme und Speicherung von Nährstoffenergie entsteht.
In Pflanzen
Die Umwelteinflüsse wie Licht, Temperatur, Bodenfeuchtigkeit und Nährstoffe, auf die die Mutterpflanze trifft, können sogar innerhalb desselben Genotyps zu Schwankungen in der Samenqualität führen. Somit beeinflusst die Mutterpflanze stark Sameneigenschaften wie Samengröße, Keimungsrate und Lebensfähigkeit.
Umwelteinflüsse auf die Mutter
Die Umgebung oder der Zustand der Mutter kann in einigen Situationen auch den Phänotyp ihrer Nachkommen beeinflussen, unabhängig vom Genotyp der Nachkommen.
Gene für väterliche Wirkung
Im Gegensatz dazu liegt ein väterlicher Effekt vor, wenn ein Phänotyp aus dem Genotyp des Vaters und nicht aus dem Genotyp des Individuums resultiert. Die für diese Effekte verantwortlichen Gene sind Bestandteile der Spermien , die an der Befruchtung und frühen Entwicklung beteiligt sind. Ein Beispiel für ein Gen mit väterlicher Wirkung ist das ms(3)sneaky in Drosophila . Männchen mit einem mutierten Allel dieses Gens produzieren Spermien, die eine Eizelle befruchten können, aber die heimtückisch befruchteten Eizellen entwickeln sich nicht normal. Weibchen mit dieser Mutation produzieren jedoch Eier, die bei der Befruchtung eine normale Entwicklung durchlaufen.
Adaptive mütterliche Effekte
Adaptive maternale Effekte induzieren phänotypische Veränderungen bei den Nachkommen, die zu einer Steigerung der Fitness führen. Diese Veränderungen entstehen dadurch, dass Mütter Umweltreize wahrnehmen, die die Fitness der Nachkommen verringern, und dann darauf reagieren, um die Nachkommen dann auf ihre zukünftige Umgebung „vorzubereiten“. Ein wesentliches Merkmal der Phänotypen „adaptive maternale Effekte“ ist ihre Plastizität. Phänotypische Plastizität gibt Organismen die Fähigkeit, auf unterschiedliche Umgebungen zu reagieren, indem sie ihren Phänotyp verändern. Da diese „veränderten“ Phänotypen die Fitness erhöhen, wird es wichtig, die Wahrscheinlichkeit zu prüfen, dass sich adaptive mütterliche Effekte entwickeln und zu einer signifikanten phänotypischen Anpassung an eine Umgebung werden.
Definition adaptiver mütterlicher Effekte
Wenn Merkmale entweder durch die mütterliche Umgebung oder den mütterlichen Phänotyp beeinflusst werden, spricht man von mütterlichen Effekten. Mütterliche Effekte bewirken, dass die Phänotypen der Nachkommen über andere Wege als die DNA verändert werden. Adaptive maternale Effekte sind, wenn diese maternalen Einflüsse zu einer phänotypischen Veränderung führen, die die Fitness der Nachkommen erhöht. Im Allgemeinen sind adaptive mütterliche Effekte ein Mechanismus, um mit Faktoren umzugehen, die dazu beitragen, die Fitness der Nachkommen zu reduzieren; sie sind auch umgebungsspezifisch.
Es kann manchmal schwierig sein, zwischen mütterlichen und adaptiven mütterlichen Effekten zu unterscheiden. Bedenken Sie Folgendes: Zigeunermotten, die auf Blättern von Schwarzeiche aufgezogen wurden, hatten Nachkommen, die sich schneller entwickelten. Dies ist ein mütterlicher, kein adaptiver mütterlicher Effekt. Um ein adaptiver mütterlicher Effekt zu sein, müsste die Umgebung der Mutter zu einer Änderung der Essgewohnheiten oder des Verhaltens der Nachkommen geführt haben. Der Hauptunterschied zwischen den beiden besteht daher darin, dass adaptive mütterliche Effekte umgebungsspezifisch sind. Die entstehenden Phänotypen sind eine Reaktion darauf, dass die Mutter eine Umgebung wahrnimmt, die die Fitness ihrer Nachkommen beeinträchtigen würde. Durch die Berücksichtigung dieser Umgebung ist sie dann in der Lage, die Phänotypen zu ändern, um die Fitness der Nachkommen tatsächlich zu steigern. Mütterliche Effekte sind keine Reaktion auf Umweltreize und haben außerdem das Potenzial, die Fitness der Nachkommen zu steigern, aber möglicherweise nicht.
Betrachtet man die Wahrscheinlichkeit, dass sich diese „veränderten“ Phänotypen entwickeln, spielen viele Faktoren und Hinweise eine Rolle. Adaptive mütterliche Effekte entwickeln sich nur, wenn die Nachkommen vielen potentiellen Umgebungen ausgesetzt sind; wenn eine Mutter die Umgebung, in die ihre Nachkommen geboren werden, „vorhersagen“ kann; und wenn eine Mutter den Phänotyp ihrer Nachkommen beeinflussen und dadurch ihre Fitness steigern kann. Die Summe all dieser Faktoren kann dann dazu führen, dass diese „veränderten“ Eigenschaften für die Evolution günstig werden.
Die phänotypischen Veränderungen, die sich aus adaptiven mütterlichen Effekten ergeben, sind das Ergebnis der Wahrnehmung der Mutter, dass ein bestimmter Aspekt der Umwelt das Überleben ihrer Nachkommen beeinträchtigen kann. Wenn die Mutter einen Hinweis wahrnimmt, „übergibt“ sie Informationen an die sich entwickelnden Nachkommen und induziert daher adaptive mütterliche Effekte. Dies führt dann dazu, dass die Nachkommen eine höhere Fitness haben, weil sie auf die Umgebung, die sie wahrscheinlich erleben werden, „vorbereitet“ sind. Zu diesen Hinweisen können Reaktionen auf Raubtiere, Lebensraum, hohe Bevölkerungsdichte und Nahrungsverfügbarkeit gehören
Die Zunahme der Größe nordamerikanischer Eichhörnchen ist ein großartiges Beispiel für einen adaptiven mütterlichen Effekt, der einen Phänotyp hervorruft, der zu einer erhöhten Fitness führte. Der adaptive mütterliche Effekt wurde dadurch induziert, dass die Mütter die hohe Bevölkerungsdichte spürten und mit der geringen Nahrungsverfügbarkeit pro Individuum korrelierten. Ihre Nachkommen waren im Durchschnitt größer als andere Eichhörnchen derselben Art; sie wuchsen auch schneller. Letztendlich zeigten die in dieser Zeit hoher Populationsdichte geborenen Eichhörnchen im ersten Winter eine erhöhte Überlebensrate (und damit Fitness).
Phänotypische Plastizität
Bei der Analyse der Arten von Veränderungen, die an einem Phänotyp auftreten können, können wir verhaltensbedingte, morphologische oder physiologische Veränderungen feststellen. Ein Merkmal des Phänotyps, der durch adaptive mütterliche Effekte entsteht, ist die Plastizität dieses Phänotyps. Die phänotypische Plastizität ermöglicht es Organismen, ihren Phänotyp an verschiedene Umgebungen anzupassen, wodurch ihre Eignung für sich ändernde Umweltbedingungen verbessert wird. Letztendlich ist es ein Schlüsselmerkmal für die Fähigkeit eines Organismus und einer Population, sich an kurzfristige Umweltveränderungen anzupassen.
Phänotypische Plastizität kann bei vielen Organismen beobachtet werden, eine Art, die dieses Konzept beispielhaft veranschaulicht, ist der Samenkäfer Stator limbatus . Dieser Saatkäfer vermehrt sich auf verschiedenen Wirtspflanzen, zwei der häufigsten sind Cercidium floridum und Acacia greggii . Wenn C. floridum die Wirtspflanze ist, gibt es eine Selektion für eine große Eigröße; wenn A. greggii die Wirtspflanze ist, gibt es eine Auswahl für eine kleinere Eigröße. In einem Experiment wurde festgestellt, dass, wenn ein Käfer, der normalerweise Eier auf A. greggii legte, auf C. floridum gelegt wurde , die Überlebensrate der gelegten Eier geringer war im Vergleich zu den Eiern, die von einem Käfer produziert wurden, der konditioniert wurde und auf dem C. Florium- Wirtspflanze. Letztendlich zeigten diese Experimente die Plastizität der Eigrößenproduktion beim Käfer sowie den Einfluss der mütterlichen Umgebung auf das Überleben der Nachkommen.
Weitere Beispiele für adaptive mütterliche Effekte
Bei vielen Insekten:
- Hinweise wie schnell abkühlende Temperaturen oder abnehmendes Tageslicht können dazu führen, dass Nachkommen in einen Ruhezustand geraten. Sie überstehen daher die kühlenden Temperaturen besser und sparen Energie.
- Wenn Eltern gezwungen sind, Eier in Umgebungen mit wenig Nährstoffen zu legen, werden die Nachkommen durch eine größere Eigröße mit mehr Ressourcen, wie beispielsweise höheren Nährstoffen, versorgt.
- Hinweise wie schlechter Lebensraum oder Gedränge können zu Nachkommen mit Flügeln führen. Die Flügel ermöglichen es den Nachkommen, sich von schlechten Umgebungen zu solchen zu bewegen, die bessere Ressourcen bieten.
Ernährung und Umwelt der Mutter beeinflussen epigenetische Effekte
Zu den adaptiven maternalen Effekten gehören epigenetische Effekte. Epigenetik ist die Untersuchung von lang anhaltenden Veränderungen der Genexpression , die durch Veränderungen des Chromatins anstelle von Veränderungen der DNA-Sequenz hervorgerufen werden, wie es bei DNA-Mutationen zu sehen ist. Diese "Änderung" bezieht sich auf DNA-Methylierung , Histon-Acetylierung oder die Wechselwirkung von nicht-kodierenden RNAs mit DNA. DNA-Methylierung ist die Anlagerung von Methylgruppen an die DNA. Wenn DNA in Säugetieren methyliert wird, wird die Transkription des Gens an dieser Stelle gedrosselt oder ganz ausgeschaltet. Die Induktion der DNA-Methylierung wird stark von der mütterlichen Umgebung beeinflusst. Einige mütterliche Umgebungen können zu einer höheren Methylierung der DNA eines Nachkommens führen, während andere zu einer niedrigeren Methylierung führen.[22] Die Tatsache, dass die Methylierung durch die mütterliche Umgebung beeinflusst werden kann, macht sie den adaptiven mütterlichen Effekten ähnlich. Weitere Ähnlichkeiten sind darin zu sehen, dass eine Methylierung oft die Fitness der Nachkommen steigern kann. Darüber hinaus kann sich die Epigenetik auf Histon-Modifikationen oder nicht-kodierende RNAs beziehen, die eine Art zelluläres Gedächtnis schaffen . Das zelluläre Gedächtnis bezieht sich auf die Fähigkeit einer Zelle, während der Replikation nicht-genetische Informationen an ihre Tochterzelle weiterzugeben. Beispielsweise erfüllt eine Leberzelle nach der Differenzierung andere Funktionen als eine Gehirnzelle; Das zelluläre Gedächtnis ermöglicht es diesen Zellen, sich zu "erinnern", welche Funktionen sie nach der Replikation ausführen sollen. Einige dieser epigenetischen Veränderungen können an zukünftige Generationen weitergegeben werden, während andere innerhalb des Lebens eines bestimmten Individuums reversibel sind. Dies kann erklären, warum sich Personen mit identischer DNA in ihrer Anfälligkeit für bestimmte chronische Krankheiten unterscheiden können.
Derzeit untersuchen Forscher die Zusammenhänge zwischen der Ernährung der Mutter während der Schwangerschaft und deren Auswirkung auf die Anfälligkeit der Nachkommen für chronische Krankheiten im späteren Leben. Die Hypothese der fetalen Programmierung unterstreicht die Idee, dass Umweltstimuli in kritischen Phasen der fetalen Entwicklung lebenslange Auswirkungen auf die Körperstruktur und Gesundheit haben können und in gewisser Weise die Nachkommen auf die Umgebung vorbereiten, in die sie hineingeboren werden. Viele dieser Veränderungen zurückzuführen sein gedacht werden , um epigenetische Mechanismen auf durch mütterliche Umgebung gebracht, wie Stress, Ernährung, Schwangerschafts Diabetes und Exposition gegenüber Tabak und Alkohol. Es wird angenommen, dass diese Faktoren zu Fettleibigkeit und Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Neuralrohrdefekten, Krebs, Diabetes usw. beitragen. Studien zur Bestimmung dieser epigenetischen Mechanismen werden normalerweise durch Laborstudien an Nagetieren und epidemiologische Studien an Menschen durchgeführt.
Bedeutung für die Allgemeinbevölkerung
Das Wissen um die ernährungsbedingten epigenetischen Veränderungen der Mutter ist nicht nur für Wissenschaftler, sondern auch für die breite Öffentlichkeit wichtig. Die wahrscheinlich offensichtlichste Bedeutung für mütterliche Ernährungseffekte liegt im medizinischen Bereich. In den Vereinigten Staaten und weltweit haben viele nicht übertragbare Krankheiten wie Krebs, Fettleibigkeit und Herzkrankheiten epidemische Ausmaße angenommen. Der medizinische Bereich arbeitet an Methoden zur Erkennung dieser Krankheiten, von denen festgestellt wurde, dass einige davon stark durch epigenetische Veränderungen aufgrund von mütterlichen Ernährungseffekten verursacht werden. Sobald die genomischen Marker für diese Krankheiten identifiziert sind, kann mit der Forschung begonnen werden, um den frühen Ausbruch dieser Krankheiten zu identifizieren und möglicherweise die epigenetischen Auswirkungen der mütterlichen Ernährung in späteren Lebensstadien umzukehren. Die Umkehrung epigenetischer Effekte wird den pharmazeutischen Bereich nutzen, um Medikamente zu entwickeln, die auf spezifische Gene und genomische Veränderungen abzielen. Die Entwicklung von Medikamenten zur Heilung dieser nicht übertragbaren Krankheiten könnte zur Behandlung von Personen eingesetzt werden, die bereits an diesen Krankheiten leiden. Auch allgemeines Wissen über die Mechanismen hinter den epigenetischen Effekten der mütterlichen Ernährung ist für das Bewusstsein von Vorteil. Die breite Öffentlichkeit kann sich der Risiken bestimmter Ernährungsgewohnheiten während der Schwangerschaft bewusst sein, um die negativen Folgen, die später bei den Nachkommen auftreten können, einzudämmen. Epigenetisches Wissen kann für Milliarden von Menschen weltweit zu einem insgesamt gesünderen Lebensstil führen.
Die Wirkung der mütterlichen Ernährung auf andere Arten als den Menschen ist ebenfalls relevant. Viele der langfristigen Auswirkungen des globalen Klimawandels sind unbekannt. Die Kenntnis epigenetischer Mechanismen kann Wissenschaftlern helfen, die Auswirkungen sich ändernder Gemeinschaftsstrukturen auf Arten, die weltweit ökologisch, ökonomisch und/oder kulturell wichtig sind, besser vorherzusagen. Da sich in vielen Ökosystemen die Artenstruktur ändern wird, wird sich auch die Nährstoffverfügbarkeit ändern, was sich letztendlich auf die verfügbaren Nahrungsoptionen für sich fortpflanzende Weibchen auswirkt. Die Auswirkungen der Ernährung auf die Mutter können auch genutzt werden, um die landwirtschaftlichen und Aquakulturpraktiken zu verbessern. Züchter können möglicherweise wissenschaftliche Daten nutzen, um nachhaltigere Praktiken zu entwickeln und damit sowohl für sich selbst als auch für die Verbraucher Geld zu sparen.
Ernährung und Umwelt der Mutter beeinflussen epigenetisch die Anfälligkeit für Erwachsenenkrankheiten
Es wird angenommen, dass eine Hyperglykämie während der Schwangerschaft epigenetische Veränderungen im Leptin-Gen von Neugeborenen verursacht, die zu einem möglicherweise erhöhten Risiko für Fettleibigkeit und Herzerkrankungen führen. Leptin wird manchmal als „Sättigungshormon“ bezeichnet, weil es von Fettzellen ausgeschüttet wird, um den Hunger zu hemmen. Durch das Studium sowohl von Tiermodellen als auch von Beobachtungsstudien am Menschen wurde vorgeschlagen, dass ein Leptinanstieg in der Perinatalperiode eine entscheidende Rolle beim Beitrag zum langfristigen Risiko von Fettleibigkeit spielt. Die Perinatalperiode beginnt in der 22. Schwangerschaftswoche und endet eine Woche nach der Geburt.[34] Die DNA-Methylierung in der Nähe des Leptin-Locus wurde untersucht, um festzustellen, ob eine Korrelation zwischen der mütterlichen Glykämie und den neonatalen Leptinspiegeln besteht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Glykämie umgekehrt mit den Methylierungszuständen des LEP-Gens verbunden war, das die Produktion des Leptinhormons steuert. Daher korrespondierten höhere glykämische Werte bei Müttern mit niedrigeren Methylierungszuständen im LEP-Gen bei ihren Kindern. Bei diesem niedrigeren Methylierungszustand wird das LEP-Gen häufiger transkribiert, wodurch höhere Leptinspiegel im Blut induziert werden. Diese höheren Leptinspiegel im Blut während der Perinatalperiode wurden mit Fettleibigkeit im Erwachsenenalter in Verbindung gebracht, möglicherweise aufgrund der Tatsache, dass während der Schwangerschaft ein höherer „normaler“ Leptinspiegel eingestellt wurde. Da Fettleibigkeit einen großen Beitrag zu Herzerkrankungen leistet, korreliert dieser Leptinanstieg nicht nur mit Fettleibigkeit, sondern auch mit Herzerkrankungen.
Es wird angenommen, dass eine fettreiche Ernährung in utero ein metabolisches Syndrom verursacht. Das metabolische Syndrom ist eine Reihe von Symptomen, einschließlich Fettleibigkeit und Insulinresistenz, die zusammenzuhängen scheinen. Dieses Syndrom wird häufig mit Typ-II-Diabetes sowie Bluthochdruck und Arteriosklerose in Verbindung gebracht. Anhand von Mäusemodellen haben Forscher gezeigt, dass eine fettreiche Ernährung in utero Veränderungen an den Adiponektin- und Leptin-Genen verursacht, die die Genexpression verändern; diese Veränderungen tragen zum metabolischen Syndrom bei. Die Adiponektin-Gene regulieren den Glukosestoffwechsel sowie den Fettsäureabbau; Die genauen Mechanismen sind jedoch nicht vollständig verstanden. Sowohl in Human- als auch in Mausmodellen wurde gezeigt, dass Adiponektin verschiedenen Gewebearten, insbesondere Muskel- und Lebergewebe, insulinsensibilisierende und entzündungshemmende Eigenschaften verleiht. Es wurde auch gezeigt, dass Adiponektin die Geschwindigkeit des Fettsäuretransports und der Oxidation bei Mäusen erhöht, was zu einer Erhöhung des Fettsäurestoffwechsels führt. Bei einer fettreichen Ernährung während der Schwangerschaft kam es zu einer Zunahme der Methylierung im Promotor des Adiponektin-Gens bei gleichzeitiger Abnahme der Acetylierung. Diese Veränderungen hemmen wahrscheinlich die Transkription der Adiponektin-Gene, da eine Zunahme der Methylierung und eine Abnahme der Acetylierung normalerweise die Transkription unterdrücken. Außerdem kam es zu einer erhöhten Methylierung des Leptin-Promotors, was die Produktion des Leptin-Gens hemmt. Daher gab es weniger Adiponektin, um den Zellen zu helfen, Glukose aufzunehmen und Fett abzubauen, sowie weniger Leptin, um ein Sättigungsgefühl zu verursachen. Die Abnahme dieser Hormone verursachte eine Zunahme der Fettmasse, Glukoseintoleranz, Hypertriglyzeridämie, abnormale Adiponektin- und Leptinspiegel und Bluthochdruck während der gesamten Lebenszeit des Tieres. Der Effekt wurde jedoch nach drei nachfolgenden Generationen mit normaler Ernährung abgeschafft. Diese Studie unterstreicht die Tatsache, dass diese epigenetischen Merkmale in bis zu einer Generation verändert und im Laufe der Zeit sogar vollständig eliminiert werden können. Diese Studie hob den Zusammenhang zwischen fettreicher Ernährung und Adiponektin und Leptin bei Mäusen hervor. Im Gegensatz dazu wurden nur wenige Studien am Menschen durchgeführt, um die spezifischen Auswirkungen einer fettreichen Ernährung in utero auf den Menschen zu zeigen. Es wurde jedoch gezeigt, dass verringerte Adiponektinspiegel beim Menschen mit Fettleibigkeit, Insulinresistenz, Typ-II-Diabetes und koronaren Herzkrankheiten verbunden sind. Es wird postuliert, dass ein ähnlicher Mechanismus wie der bei Mäusen beschriebene auch beim Menschen zum metabolischen Syndrom beitragen kann.
Darüber hinaus verursacht eine fettreiche Ernährung chronische, geringgradige Entzündungen in der Plazenta, im Fettgewebe, in der Leber, im Gehirn und im Gefäßsystem. Entzündungen sind ein wichtiger Aspekt des natürlichen Abwehrsystems des Körpers nach Verletzungen, Traumata oder Krankheiten. Während einer Entzündungsreaktion treten eine Reihe von physiologischen Reaktionen auf, wie eine erhöhte Durchblutung, ein erhöhter Zellstoffwechsel und eine Vasodilatation, um die Behandlung des verwundeten oder infizierten Bereichs zu unterstützen. Eine chronische, geringgradige Entzündung wurde jedoch mit langfristigen Folgen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Nierenversagen, Alterung, Diabetes usw. in Verbindung gebracht. Diese chronische, geringgradige Entzündung wird häufig bei übergewichtigen Personen mit einer fettreichen Ernährung beobachtet. In einem Mäusemodell wurden bei Mäusen, die mit einer fettreichen Diät gefüttert wurden , übermäßige Zytokine nachgewiesen. Zytokine helfen bei der Zellsignalisierung während Immunreaktionen, indem sie Zellen speziell zu Entzündungs-, Infektions- oder Traumaorten schicken. Die mRNA von proinflammatorischen Zytokinen wurde in der Plazenta von Müttern mit fettreicher Ernährung induziert. Die fettreiche Ernährung verursachte auch Veränderungen in der mikrobiotischen Zusammensetzung, die bei den Nachkommen zu hyperinflammatorischen Kolonreaktionen führten. Diese hyperinflammatorische Reaktion kann zu entzündlichen Darmerkrankungen wie Morbus Crohn oder Colitis ulcerosa führen .[35] Wie bereits erwähnt, trägt eine fettreiche Ernährung in utero zu Fettleibigkeit bei; einige proinflammatorische Faktoren, wie IL-6 und MCP-1, sind jedoch auch mit der Ablagerung von Körperfett verbunden. Es wurde vermutet , dass die Histonacetylierung eng mit Entzündungen verbunden ist , da gezeigt wurde , dass die Zugabe von Histondeacetylasehemmern die Expression proinflammatorischer Mediatoren in Gliazellen reduziert . Diese Verringerung der Entzündung führte zu einer verbesserten neuronalen Zellfunktion und einem verbesserten Überleben. Diese Entzündung wird auch oft mit Fettleibigkeit, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Fettleber , Hirnschäden sowie Präeklampsie und Frühgeburt in Verbindung gebracht. Obwohl gezeigt wurde, dass eine fettreiche Ernährung Entzündungen hervorruft, die zu all diesen chronischen Krankheiten beitragen; Es ist unklar, wie diese Entzündung als Mittler zwischen Ernährung und chronischer Krankheit fungiert.
Eine nach dem niederländischen Hungerwinter 1944-1945 durchgeführte Studie zeigte, dass Unterernährung in den frühen Stadien der Schwangerschaft auch nach sechs Jahrzehnten mit einer Hypomethylierung des insulinähnlichen Wachstumsfaktors II (IGF2) -Gens verbunden ist. Diese Personen hatten im Vergleich zu ihren gleichgeschlechtlichen Geschwistern, die während der Hungersnot nicht gezeugt wurden, signifikant niedrigere Methylierungsraten. Ein Vergleich wurde mit Kindern angestellt, die vor der Hungersnot gezeugt wurden, so dass ihren Müttern während der späteren Schwangerschaftsstadien Nährstoffe entzogen wurden; diese Kinder hatten normale Methylierungsmuster. Der IGF2 steht für insulinähnlichen Wachstumsfaktor II; Dieses Gen trägt entscheidend zum Wachstum und zur Entwicklung des Menschen bei. Das IGF2-Gen ist auch mütterlich geprägt, was bedeutet, dass das Gen der Mutter zum Schweigen gebracht wird. Das Gen der Mutter ist typischerweise an der differentiell methylierten Region (DMR) methyliert; wenn es jedoch hypomethyliert ist, wird das Gen bi-allelisch exprimiert. Daher haben Personen mit niedrigeren Methylierungszuständen wahrscheinlich einen Teil des Prägeeffekts verloren. Ähnliche Ergebnisse wurden in den Genen Nr3c1 und Ppara der Nachkommen von Ratten gezeigt, die vor Beginn der Schwangerschaft mit einer isokalorischen Protein-defizienten Diät gefüttert wurden. Dies impliziert weiter, dass die Unterernährung die Ursache der epigenetischen Veränderungen war. Überraschenderweise gab es keine Korrelation zwischen Methylierungszuständen und Geburtsgewicht. Dies zeigte, dass das Geburtsgewicht möglicherweise kein ausreichender Weg ist, um den Ernährungszustand während der Schwangerschaft zu bestimmen. In dieser Studie wurde betont, dass epigenetische Wirkungen je nach Zeitpunkt der Exposition variieren und dass frühe Stadien der Entwicklung von Säugetieren entscheidende Zeiträume für die Etablierung epigenetischer Merkmale sind. Diejenigen, die früher in der Schwangerschaft exponiert waren, hatten eine verringerte Methylierung, während diejenigen, die am Ende der Schwangerschaft exponiert wurden, relativ normale Methylierungsspiegel aufwiesen. Die Nachkommen und Nachkommen von Müttern mit Hypomethylierung entwickelten häufiger Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Epigenetische Veränderungen, die während der Embryogenese und der frühen fetalen Entwicklung auftreten, haben größere physiologische und metabolische Auswirkungen, da sie über mehr mitotische Teilungen übertragen werden. Mit anderen Worten, die epigenetischen Veränderungen, die früher auftreten, bleiben mit größerer Wahrscheinlichkeit in mehr Zellen bestehen.
In einer anderen Studie entdeckten die Forscher, dass eine perinatale Nährstoffrestriktion, die zu einer intrauterinen Wachstumsrestriktion (IUGR) führt, zu Diabetes mellitus Typ 2 (DM2) beiträgt . IUGR bezieht sich auf das schlechte Wachstum des Babys in utero. In der Bauchspeicheldrüse verursachte IUGR eine Reduktion der Expression des Promotors des Gens, das einen kritischen Transkriptionsfaktor für die Funktion und Entwicklung von Betazellen kodiert. Die Betazellen der Bauchspeicheldrüse sind für die Insulinproduktion verantwortlich; eine verminderte Betazellaktivität wird mit DM2 im Erwachsenenalter in Verbindung gebracht. In der Skelettmuskulatur verursachte IUGR eine Abnahme der Expression des Glut-4-Gens. Das Glut-4-Gen steuert die Produktion des Glut-4-Transporters; dieser Transporter ist spezifisch empfindlich gegenüber Insulin. Wenn der Insulinspiegel ansteigt, werden daher mehr Glut-4-Transporter an die Zellmembran gebracht, um die Aufnahme von Glukose in die Zelle zu erhöhen. Diese Veränderung wird durch Histonmodifikationen in den Zellen der Skelettmuskulatur verursacht, die die Wirksamkeit des Glukosetransportsystems in den Muskel verringern. Da die wichtigsten Glukosetransporter nicht mit optimaler Kapazität arbeiten, entwickeln diese Personen später im Leben mit energiereicher Ernährung eher eine Insulinresistenz , was zu DM2 beiträgt.
Weitere Studien haben die epigenetischen Veränderungen untersucht, die sich aus einer proteinreichen/kohlenhydratarmen Ernährung während der Schwangerschaft ergeben. Diese Diät verursachte epigenetische Veränderungen, die mit einem höheren Blutdruck, höheren Cortisolspiegeln und einer erhöhten Reaktion der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse (HPA) auf Stress verbunden waren. Erhöhte Methylierung in der 11β-Hydroxysteroid-Dehydrogenase Typ 2 (HSD2), Glucocorticoid-Rezeptor (GR) und H19 ICR korrelierten positiv mit Adipositas und Blutdruck im Erwachsenenalter. Glukokortikoide spielen eine wichtige Rolle bei der Gewebeentwicklung und -reifung sowie bei der Wirkung auf den Stoffwechsel. Der Zugang von Glukokortikoiden zu GR wird durch HSD1 und HSD2 reguliert. H19 ist ein geprägtes Gen für eine lang kodierende RNA (lncRNA) , die limitierende Auswirkungen auf das Körpergewicht und die Zellproliferation hat. Daher unterdrücken höhere Methylierungsraten in H19 ICR die Transkription und verhindern, dass die lncRNA das Körpergewicht reguliert. Mütter, die in der Spätschwangerschaft eine höhere Fleisch-/Fisch- und Gemüseaufnahme und eine geringere Brot-/Kartoffelaufnahme berichteten, hatten eine höhere durchschnittliche Methylierung in GR und HSD2. Eine gemeinsame Herausforderung dieser Art von Studien besteht jedoch darin, dass viele epigenetische Modifikationen DNA-Methylierungsmuster mit Gewebe- und Zelltypspezifität aufweisen. Somit repräsentieren epigenetische Modifikationsmuster von zugänglichen Geweben, wie peripherem Blut, möglicherweise nicht die epigenetischen Muster des Gewebes, das an einer bestimmten Krankheit beteiligt ist.
Starke Beweise bei Ratten unterstützen die Schlussfolgerung, dass die Östrogenexposition bei Neugeborenen eine Rolle bei der Entwicklung von Prostatakrebs spielt . Unter Verwendung eines humanen fetalen Prostata-Xenotransplantatmodells untersuchten die Forscher die Auswirkungen einer frühen Östrogenexposition mit und ohne sekundäre Östrogen- und Testosteronbehandlung. Ein Xenotransplantatmodell ist ein Gewebetransplantat, das zwischen Organismen verschiedener Spezies transplantiert wird. In diesem Fall wurde menschliches Gewebe in Ratten transplantiert; Daher bestand keine Notwendigkeit, von Nagetieren auf den Menschen zu extrapolieren. Histopathologische Läsionen, Proliferation und Serumhormonspiegel wurden zu verschiedenen Zeitpunkten nach der Xenotransplantation gemessen. Am Tag 200 zeigte das Xenotransplantat, das zwei Östrogenbehandlungen ausgesetzt worden war, die stärksten Veränderungen. Darüber hinaus untersuchten die Forscher Schlüsselgene, die am Prostata-Drüsen- und Stroma-Wachstum, der Zellzyklusprogression, Apoptose, Hormonrezeptoren und Tumorsuppressoren beteiligt sind, mithilfe eines benutzerdefinierten PCR-Arrays. Die Analyse der DNA-Methylierung zeigte Methylierungsunterschiede in den CpG-Stellen des Stroma-Kompartiments nach der Östrogenbehandlung. Diese Variationen in der Methylierung sind wahrscheinlich eine Ursache für die Veränderungen der zellulären Ereignisse im KEGG-Prostatakrebsweg, die die Apoptose hemmen und die Zellzyklusprogression erhöhen, die zur Entstehung von Krebs beitragen.
Nahrungsergänzung kann epigenetische Veränderungen rückgängig machen
Die Exposition in utero oder neonatal gegenüber Bisphenol A (BPA) , einer Chemikalie, die bei der Herstellung von Polycarbonat-Kunststoff verwendet wird, korreliert mit einem höheren Körpergewicht, Brustkrebs, Prostatakrebs und einer veränderten Fortpflanzungsfunktion. In einem Mäusemodell hatten die Mäuse, die mit einer BPA-Diät gefüttert wurden, eher einen gelben Mantel, der ihrem niedrigeren Methylierungszustand in den Promotorregionen des Retrotransposons stromaufwärts des Agouti-Gens entsprach. Das Agouti-Gen ist dafür verantwortlich, ob das Fell eines Tieres gebändert (Aguti) oder fest (Nicht-Aguti) ist. Eine Supplementation mit Methylspendern wie Folsäure oder Phytoöstrogen beseitigte jedoch die hypomethylierende Wirkung. Dies zeigt, dass die epigenetischen Veränderungen durch Ernährung und Nahrungsergänzung rückgängig gemacht werden können.
Mütterliche Ernährungseffekte und Ökologie
Mütterliche Ernährungseffekte werden nicht nur beim Menschen beobachtet, sondern bei vielen Taxa im Tierreich. Diese Auswirkungen auf die Ernährung der Mutter können zu ökologischen Veränderungen in größerem Maßstab in allen Populationen und von Generation zu Generation führen. Die Plastizität, die an diesen epigenetischen Veränderungen aufgrund der mütterlichen Ernährung beteiligt ist, stellt die Umgebung dar, in die die Nachkommen geboren werden. In vielen Fällen bereiten epigenetische Effekte der mütterlichen Ernährung während der Entwicklung die Nachkommen genetisch darauf vor, sich besser an die Umgebung anzupassen, in der sie zum ersten Mal antreffen. Die epigenetischen Auswirkungen der mütterlichen Ernährung können bei vielen Arten beobachtet werden, wobei verschiedene ökologische Hinweise und epigenetische Mechanismen genutzt werden, um zukünftigen Generationen einen adaptiven Vorteil zu bieten.
Auf dem Gebiet der Ökologie gibt es viele Beispiele für mütterliche Ernährungseffekte. Leider werden die epigenetischen Mechanismen, die diesen phänotypischen Veränderungen zugrunde liegen, selten untersucht. In Zukunft wäre es für Umweltwissenschaftler sowie epigenetische und genomische Wissenschaftler von Vorteil, zusammenzuarbeiten, um die Lücken im Bereich der Ökologie zu schließen, um ein vollständiges Bild der Umweltmerkmale und epigenetischen Veränderungen zu erstellen, die eine phänotypische Vielfalt erzeugen.
Die Ernährung der Eltern beeinflusst die Immunität der Nachkommen
Eine Pyralid-Mottenart , Plodia interpunctella , die häufig in Lebensmittellagern vorkommt, zeigt auf ihre Nachkommen mütterliche sowie väterliche Ernährungseffekte. Epigenetische Veränderungen bei Motten-Nachkommen beeinflussen die Produktion von Phenoloxidase, einem Enzym, das an der Melanisierung beteiligt ist und bei vielen wirbellosen Arten mit der Resistenz bestimmter Krankheitserreger korreliert. In dieser Studie wurden Elternmotten während ihrer Fortpflanzungszeit in nahrungsreichen oder nahrungsarmen Umgebungen gehalten. Motten, die in nahrungsarmen Umgebungen gehalten wurden, produzierten Nachkommen mit weniger Phenoloxidase und hatten daher ein schwächeres Immunsystem als Motten, die sich in nahrungsreichen Umgebungen fortpflanzten. Es wird angenommen, dass dies adaptiv ist, da sich die Nachkommen entwickeln, während sie Hinweise auf knappe Ernährungsmöglichkeiten erhalten. Diese Hinweise ermöglichen es der Motte, Energie unterschiedlich zu verteilen, die Energie für das Immunsystem zu verringern und mehr Energie für Wachstum und Fortpflanzung zu verwenden, um die Fitness zu steigern und zukünftige Generationen zu versichern. Eine Erklärung für diesen Effekt kann das Imprinting sein, die Expression nur eines elterlichen Gens gegenüber dem anderen, aber weitere Forschung muss noch durchgeführt werden.
Die durch die Eltern vermittelte epigenetische Wirkung der Nahrung auf die Immunität hat eine breitere Bedeutung für Wildorganismen. Veränderungen der Immunität in einer gesamten Population können die Population anfälliger für Umweltstörungen, wie die Einschleppung eines Krankheitserregers, machen. Daher können diese transgenerationalen epigenetischen Effekte die Populationsdynamik beeinflussen, indem sie die Stabilität von Populationen verringern, die eine andere Umgebung als die elterliche Umgebung bewohnen, für die die Nachkommen epigenetisch modifiziert werden.
Die Ernährung der Mutter beeinflusst die Wachstumsrate der Nachkommen
Die Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln beeinflusst auch die epigenetische Mechanismen Wachstumsrate in der Antriebsmaulbrütenden cichlid , Simochromis pleurospilus . Wenn die Nährstoffverfügbarkeit hoch ist, produzieren sich fortpflanzende Weibchen viele kleine Eier, im Gegensatz zu weniger großen Eiern in nährstoffarmen Umgebungen. Die Eigröße korreliert oft mit der Körpergröße der Fischlarven beim Schlüpfen: kleinere Larven schlüpfen aus kleineren Eiern. Beim Buntbarsch wachsen kleine Larven schneller als ihre größeren Eier. Dies liegt an der erhöhten Expression von GHR, dem Wachstumshormonrezeptor. Erhöhte Transkriptionsniveaus von GHR-Genen erhöhen die verfügbaren Rezeptoren, um mit dem Wachstumshormon GH zu binden , was zu einer erhöhten Wachstumsrate bei kleineren Fischen führt. Größere Fische werden weniger wahrscheinlich von Raubtieren gefressen, daher ist es vorteilhaft, in frühen Lebensstadien schnell zu wachsen, um das Überleben zu sichern. Der Mechanismus, durch den die GHR-Transkription reguliert wird, ist unbekannt, aber er kann auf Hormone im von der Mutter produzierten Dotter oder einfach auf die Dottermenge selbst zurückzuführen sein. Dies kann zu DNA-Methylierung oder Histon-Modifikationen führen, die die Gentranskriptionsniveaus kontrollieren.
Aus ökologischer Sicht ist dies ein Beispiel dafür, dass die Mutter ihre Umgebung nutzt und die beste Methode zur Maximierung des Überlebens der Nachkommen bestimmt, ohne sich tatsächlich bewusst darum zu bemühen. Ökologie wird im Allgemeinen von der Fähigkeit eines Organismus angetrieben, um Nährstoffe zu konkurrieren und sich erfolgreich zu vermehren. Wenn eine Mutter in der Lage ist, reichlich Ressourcen zu sammeln, wird sie eine höhere Fruchtbarkeit haben und Nachkommen zeugen, die schnell wachsen können, um Raubtiere zu vermeiden. Mütter, die nicht in der Lage sind, so viele Nährstoffe zu erhalten, werden weniger Nachkommen zeugen, aber die Nachkommen werden größer in der Hoffnung, dass ihre Größe dazu beiträgt, das Überleben bis zur sexuellen Reifung zu sichern. Im Gegensatz zum Mottenbeispiel bereiten die mütterlichen Wirkungen, die den Nachkommen der Buntbarsche geboten werden, die Buntbarsche nicht auf die Umgebung vor, in die sie geboren werden; Dies liegt daran, dass maulbrütende Buntbarsche ihre Nachkommen elterlich betreuen und eine stabile Umgebung für die Entwicklung der Nachkommen bieten. Nachkommen mit einer höheren Wachstumsrate können schneller unabhängig werden als langsam wachsende, wodurch der Energieaufwand der Eltern während der elterlichen Fürsorgezeit verringert wird.
Ein ähnliches Phänomen tritt in der Seeigel , Strongylocentrotus droebachiensis . Seeigelmütter in nährstoffreichen Umgebungen produzieren eine große Anzahl kleiner Eier. Nachkommen aus diesen kleinen Eiern wachsen schneller als ihre großen Eier-Gegenstücke von nährstoffarmen Müttern. Auch hier ist es für Seeigellarven, bekannt als Planula , von Vorteil , um schnell zu wachsen, um die Dauer ihrer Larvenphase zu verkürzen und sich in ein Jungtier zu verwandeln, um das Prädationsrisiko zu verringern. Seeigellarven haben die Fähigkeit, sich aufgrund ihrer mütterlichen und larvalen Ernährung zu einem von zwei Phänotypen zu entwickeln. Larven, die durch eine hohe Ernährung schnell wachsen, können mehr Energie für die Entwicklung zum juvenilen Phänotyp aufwenden. Larven, die bei geringer Nahrungsaufnahme langsamer wachsen, widmen mehr Energie dem Wachstum stachelähnlicher Anhängsel, um sich vor Raubtieren zu schützen, um das Überleben bis in die Jugendphase zu erhöhen. Die Bestimmung dieser Phänotypen basiert sowohl auf der mütterlichen als auch auf der juvenilen Ernährung. Die epigenetischen Mechanismen hinter diesen phänotypischen Veränderungen sind unbekannt, aber es wird angenommen, dass es eine Ernährungsschwelle geben könnte, die epigenetische Veränderungen auslöst, die die Entwicklung und letztendlich den Larvenphänotyp beeinflussen.