Epigenetická role vitaminu C ve zdraví a nemoci

Epigenetická role vitaminu C ve zdraví a nemoci

Již dlouho je známo, že vitamin C má nenahraditelný význam pro lidský organismus vzhledem k úloze, kterou hraje v řadě metabolických reakcí, například v syntéze kolagenu, v antioxidační ochraně buněk a mnoha dalších důležitých oblastech. Teprve nedávno však byla objevena zásadní role, kterou má pro fungování samotného genomu. Přehled současných znalostí v této oblasti přináší článek publikovaný v odborném časopise Cellular and Molecular Life Sciences.1 Článek se zabývá rolí vitaminu C v epigenetických regulacích. Podle autorů jde o podstatná zjištění, která ukazují, že vitamin C má u člověka ještě další významné úlohy, než byly donedávna známy.

Vitamin C jako kofaktor enzymů

Kromě toho, že vitamin C (resp.askorbát) působí jako antioxidant, má v lidském organismu ještě řadu dalších poslání. K nim patří i role kofaktoru enzymů ze skupin monooxygenáz a dioxygenáz. K monooxygenázám závislým na askorbátu patří například dopamin β-hydroxyláza, důležitá pro syntézu noradrenalinu. K dioxygenázám závislým na askorbátu patří např. kolagen prolyl 4-hydroxyláza (P4H) a další enzymy, které potřebují k plné katalytické aktivitě dvoumocný iont železa (Fe2+) jako kofaktor, a jako další kofaktor askorbát; ten zajišťuje převod katalyticky inaktivního iontu trojmocného železa (Fe3+) na aktivní dvojmocný (Fe2+).

Příkladem, jak nedostatek askorbátu ovlivňuje aktivitu enzymů, je deficit vitaminu C u pacientů se skorbutem. Následkem nedostatečné konverze Fe3+ na aktivní Fe2+ (ke konverzi je potřebný askorbát) přestává být enzym kolagen P4H aktivní, hydroxylace kolagenu je narušena, nedochází k jeho dokonalému zesíťování (cross-linking) a vznikají příznaky skorbutu. Po dodání vitaminu C dochází k dostatečné redukci iontu Fe3+ na katalyticky aktivní iont Fe2+, enzym kolagen P4H je aktivní, obnovuje se hydroxylace kolagenu, což u možňuje jeho zesíťování a příznaky skorbutu vymizí. Obdobný vliv na aktivitu důležitých enzymů má askorbát např. při syntéze katecholaminů a dalších důležitých reakcích. Jak však ukázal moderní výzkum, má askorbát také zásadní význam i pro ochranu genetické informace: bylo prokázáno, že askorbát je potřebný pro funkci enzymů ze skupiny dioxygenáz, zajišťujících epigenetické modifikace deoxyribonukleové kyseliny (DNA) a tzv. histonu. Askorbát tedy ovlivňuje epigenom, což má zásadní význam pro organismus, jeho zdravý vývoj a případně vznik různých onemocnění.1

Epigenom, demetylace DNA a histonů

Každý chromosom se skládá z jedné molekuly DNA a komplexu bílkovin – histonů, které jsou navázané na DNA, aby umožnily svinutí DNA do kompaktnější struktury (DNA a histony tvoří komplex, označovaný jako chromatin, který se skládá z menších jednotek - nukleosomů). Všechny geny nejsou však vždy exprimovány, tj aktivní; jejich exprese musí nastat v „pravý čas", např. v adekvátní době vývoje organismu. To zajišťuje tzv. epigenom. Epigenom je označení pro biochemické („epigenetické“) změny DNA a histonů, které regulují expresi jednotlivých genů. Na rozdíl od DNA má epigenom dynamický charakter a liší se v různých buňkách jediného organismu. Epigenetika studuje reverzibilní dědičné změny ve funkci genu, které nastávají bez ohledu na sekvenci DNA. Modifikace genomu probíhá pomocí metylace / demetylace bází DNA, především cytosinu. Metylace je realizována pomocí enzymů DNA-metyltransferáz (DNMT). Metylace DNA má za následek inhibici exprese genů (buď blokováním vazby příslušného transkripčního faktoru pro cílovou sekvenci DNA nebo nepřímo vazbou na proteiny, které blokují expresi genu navozením remodelace tzv. korepresorového komplexu chromatinu). Kromě DNA mohou podléhat epigenetické modifikaci (tedy být modifikovány metylací) i histony. Porucha epigenetických modifikací může být příčinou patologických stavů, např. onkologických onemocnění: nádorové buňky se vyznačují současným výskytem různých patologických epigenetických modifikací.  Hlavní epigenetickou modifikaci lidské DNA představuje navázání metylové skupiny (-CH3) na cytosin - jednu ze čtyř bází (stavebních složek) DNA. Stav metylace cytosinové báze DNA v pozici C5 (5-metylcytosin, 5mC) hraje zásadní roli v regulaci genové transkripce a udržení stability genomu a normální identity a funkce buňky. Teprve nedávno bylo zjištěno, jak může dojít k změnám stavu metylace, resp. k demetylaci cytosinu. Důležitou roli v tomto procesu hrají tzv. TET enzymy (methylcytosin dioxygenase ten-eleven translocation, TET1, TET2 a TET3), které katalyzují hydroxylaci 5mC (5-metylcytosinu) na 5-hydroxymetylcytosin (5hmC). TET enzymy dále oxidují 5hmC na 5-formylcytosin (5fC) a 5-karboxylcytosin (5caC), které mohou vést též k demetylaci cytosinu. 5-hydroxymetylcytosin (5hmC), jak bylo zjištěno, se vyskytuje v genomu poměrně často, a hraje jako epigenetický marker svouo regulační funkci v organismu. Kaskáda zprostředkovaná TET enzymy je jedním z nejdůležitějších demetylačních procesů, ovlivňující epigenetické modifikace. TET enzymy patří k dioxygenázám, závislých na kofaktoru - dvojmocném iontu železa (Fe2+), a na substrátu 2-oxoglutarátu (2OG). Dalším kofaktorem pro tyto enzymy je askorbát, který, jak bylo již řečeno, má schopnost redukovat iont třímocného železa na iont dvojmocný, jenž umožňuje , aby proběhly reakce katalyzované enzymy TET - včetně demetylace cytosinových bází.

Kromě metylace / demetylace cytosinu v DNA patří k epigenetickým regulacím (které vedou k aktivaci či „uspání“) genů také metylace / demetylace histonu, resp. v něm obsažených aminokyselin lysinu and argininu. Tento proces regulují dvě skupiny enzymů: 1/ tzv. lysin-specifické histon demetylázy a tzv. histon demethylázy obsahující JmjC doménu. Opět v i v tomto procesu hraje roli schopnost askorbátu redukovat trojmocné železo na dvojmocné (resp. regenerovat katalyticky aktivní iont Fe2+), potřebné pro aktivitu těchto enzymů. Nedostatek askorbátu v buněčném jádru může vést k nedostatečné aktivitě enzymů TET nebo enzymů demetylující histon a tím může být narušen proces demetylace. Askorbát tak ovlivňuje epigenom, resp. způsob působení genomu na organismus, což může mít za následek vznik různých vývojových poruch vývoje během ontogeneze a/nebo vzniku různých onemocnění.1

Variace dostupnosti vitaminu C v organismu

Dostupnost askorbátu v buněčném jádru pro oba uvedené typy enzymů se v současnosti považuje za zásadní faktor udržení fyziologického epigenomu. Je známo, že i v rozvinutých zenmích nejsou výjimkou stavy nedostatečného příjmu vitaminu C. Jak uvádějí autoři, deficit askorbátu (plasmatická koncentrace přibližně pod 11,4 mikromolů) má více než 7% populace v USA (tedy u více než 20 millionů lidí). Hraniční hladinu askorbátu (plasmatická koncentrace pod 23 mikromolů) má podle odhadů 10 % dospělých osob v rozvinutých zemích.2 Navíc obrat askorbátu v organismu je velmi rychlý. Plasmatická hladina askorbátu je snižována některými faktory životosprávy, například kouřením a zvýšeným příjmem alkoholu. Dostupnost askorbátu v organismus je ovlivňován i ekonomickými faktory – až čtvrtina nízkopříjmové populace má snížený příjem vitaminu C. Dostupnost askorbátu je ovlivněna i řadu onemocnění, například chorob zažívacího traktu, ledvin či onkologických onemocnění. Dalším faktorem ovlivňujících plasmatickou hladinu askorbátu, jsou genetické odchylky transportních molekul SVCT 1 a SVCT 2, které ovlivňují nejen vstřebávání vitamionu C ze střeva, ale i jejich dostupnost pro tkáně.1

Epigenetická role askorbátu v prenatálním vývoji

Pro nitroděložní vývoj lidského embrya a plodu má zásadní význam epigenetické programování; platí to jak pro embryonální fázi (do 8. týdne těhotenství), tak pro fetální vývoj. Během vývoje embrya probíhají dvě epigenetické fáze (tj. demetylace / remetylace DNA a histonů), které řídí regulaci exprese genů. Svou důležitou roli tu mají zmíněné TET enzymy. Bezprostředně po oplodnění vajíčka jsou metylované cytosinové báze (5-metylcytosin, 5mC) v chromatinu pocházejícím od otce rychle působením enzymu TET3 nahrazeny 5-hydroxymetyl cytosinem (5hmC), což vede při replikacích DNA k další demetalyci o vymazání většiny „otcovských“ epigenetických vzorů (patternů). Demetylace mateřského chromatinu, ke které dochází poněkud později, je také regulována TET3 enzymy. Následuje další fáze epigenetického regulování genové exprese, která probíhá v primordiálních zárodečných buňkách (tedy prekursorech pohlavních buněk) demetylací zprostředkovanou enzymy TET2/3. Tyto na askorbátu závislé enzymy jsou důležité i pro epigenetický vývoj (a tím i osud) kmenových buněk. Pro vývoj embrya je důležitá i demetylace histonu. Potřebné enzymy (histon demetylázy) jsou také závislé na askorbátu. Celkově lze říci, že dostatečná dostupnost askorbátu je potřebná pro fyziologický embryonální vývoj; z toho vyplývá důležitost dostatečného příjmu vitaminu C během těhotenství. Jeho nedostatek může vést ke vzniku vývojových poruch (například defektů neurální trubice, tedyvrozeným vadám postihující mozek, míchu a páteř) a zvýšenému riziku předčasného porodu.1

Vzhledem ke zvýšeným požadavkům na dostatek askorbátu během embryonálního a fetálního vývoje je častý pokles plasmatické hladiny askorbátu u těhotných žen, hlavně v pozdních fázích gravidity (tento deficit je přítomen přibližně u třetiny těhotných). Deficit askorbátu u matky vede sekundárně ke snížené distupnosti askorbátu u plodu, což může mít důsledky pro jeho vývoj. Z toho vyplývá potřeba dostatečné suplementace vitaminu C během těhotenství.1

Epigenetická role askorbátu v postnatálním vývoji

Deficit askorbátu díky svému vlivu na průběh epigenetické regulace může negativně ovlivnit i postnatální vývoj různých orgánů a tkání. Příkladem může být dopad nedostatku askorbátu na vývoj nervového systému. Optimálním zdrojem askorbátu je pro novorozence a batolata mateřské mléko. Obsah askorbátu v mléku se odvíjí od příjmu vitaminu C kojící matkou; obsah tohoto vitaminu s délkou kojení postupně klesá. Pokud jde o náhradu kojení, záleží na obsahu tohoto vitaminu v daném produktu. V této souvislosti je třeba uvést, že kravské mléko vitamin C prakticky neobsahuje. Nedostatečný přísun askorbátu zvyšuje riziko poruchy demetylace DNA a histonu a v již v raných fázích postnatálního vývoje může vést k významným vývojovým vadám, například v oblasti nervového systému (včetně CNS, např. hippokampu), narušená může být myelinizace, tedy vývoj ochranných myelinových pochev. Vývoj tzv.Schwannových buněk, které myelinovou pochvu vytvářejí, je kontrolován epigenomem, resp. demetylujícími enzymy, v jejichž aktivitě, hraje askorbát jako kofaktor zásadní roli.1

Epigenetická regulace, askorbát a stárnutí

Studie ukázaly, že v průběhu stárnutí klesá hladina asokrbátu ve tkáních.3 Svou roli v tom hraje řada mechanismů, např. zvýšená spotřeba, zrychlený obrat, snížené vstřebávání a zpětné vstřebávání a snížený vstup do buněk. Na rozdíl od periferních tkání vstupuje přes hematoencefalickou bariéru vitamin C ve formě dehydroaskorbátu (DHA) prostřednictvím transportérů GLUT. Po vstupu do mozkových neuronů je DHA přeměněn na askorbát. Jeho hladina je u seniorů snížená (u osob ve věku nad 80 let je asi o čtvrtinu nižší než u 50letých). Tato snížená hladina askorbátu vede k epigenetickým změnám, které mohou vyústit v neurodegenerativní onemocnění. Příkladem může být Parkinsonova nemoc, která je charakterizovaná ztrátou dopaminergních neuronů v oblasti mozku označované jako substantia nigra. U pacientů s tímto onemocněním byla zjištěna snížená buněčná koncentrace askorbátu, která má dopad na funkci enzymů zajišťujících epigenetickou regulaci dopaminergních neuronů. Tento mechanismus může být jedním z faktorů, přispívajících ke vzniku neurodegenerativních chorob, jako je Parkinsonova nemoc, případně dalších neurodegenerací jako je Alzheimerova nemoc. Existují studie, které prokazují, že fyziologická hladina askorbátu je jedním z faktorů, které působí proti vzniku tohoto onemocnění.4

Epigenetická regulace, askorbát a onkologická onemocnění

Jak ukázaly některé studie, u onkologických onemocnění je potlačená aktivní demetylace DNA zprostředkovaná TET enzymy.5 Epigenetickým markerem je snížená hladina či úplná ztráta 5-hydroxymetyl cytosinu (5hmC).6 K tomu může přispívat několik faktorů včetně snížené dostupnosti askorbátu, který je pro tyto enmzymy nezbytným kofaktorem. Některé studie ukázaly zvýšené incidenci skorbutických a preskorbutických hladin askorbátu u onkologicky nemocných. Skorbut se u onkologických pacientů vyskytuje častěji. 7 (Ostatně i samotný skorbut lze považovat, jak ukazují autoři referovaného článku, za onemocnění v jejichž etiologii hraje roli porucha epigenomu).1 Jedna z metaanalýz ukázala, že dostatečně vysoká plasmatická hladina askorbátu přispívá k ochraně před vznikem karcinomu mammy.8 Jiná metaanalýza ukázala prospěšný vliv komplementárního podávání vitaminu C ke standardní protinádorové terapii u pacientek s karcinomem prsu, pokud jde o snížení mortality.9 Ve všech těchto souvislostech může hrát svou roli nejenom vliv askorbátu na potlačení oxidativního stresu (který je jedním etiologických faktorů kancerogeneze), ale i jeho vliv na adekvátní průběh epigenetických procesů.

Závěr

Současný pokrok na poli epigenetiky objasnil řadu mechanismů, kterými vitamin C (askorbát) zásadním způsobem ovlivňuje důležité epigenetické procesy - demetylaci DNA a histonu. Pro tyto epigenetické procesy je potřebná aktivita tzv. TET enzymů (které působí demetylaci DNA) a tzv. histon demethyláz obsahujících JmjC doménu, zajišťujících demetylaci histonu. Askorbát je kofaktorem těchto enzymů a ovlivňuje epigenom v prenatálním i postnatálním vývoji organismu. Pokud je dostupnost askorbátu snížena, mohou být epigenetické procesy narušeny, což může vést ke vzniku vrozených vad a řady různých chorob. Rozvíjející se obor epigenetiky tak odhaluje další, do nedávna neznámé aspekty významu vitaminu C pro zdraví lidského organismu. Autoři článku ukazují, jak se nově objevená role vitaminu C projevuje v průběhu ontogenezy, a jak význam může mít deficit tohoto vitaminu při rozvoji závažných onemocnění.

Literatura

1. Camarena V, Wang G. The Epigenetic Role of Vitamin C in Health and Disease. Cell Mol Life Sci 2016;73:1645–1658.
2. Tveden-Nyborg P, Lykkesfeldt J. Does vitamin C deficiency increase lifestyle-associated vascular disease progression? Evidence based on experimental and clinical studies. Antioxid Redox Signal 2013;19:2084–2104.
3. Michels AJ, Hagen TM. Vitamin C status decline with age. In: Asard H, May J, Smirnoff N (eds.). Vitamin C: its function and biochemistry in animals and plants. Garland Science/BIOS Scientific Publishers; Abingdon, Oxon, UK: 2004:203-228.
4. Harrison FE. A critical review of vitamin C for the prevention of age-related cognitive decline and Alzheimer's disease. J Alzheimers Dis 2012; 29:711–726.
5. Kroeze LI, van der Reijden BA, Jansen JH. 5-Hydroxymethylcytosine: An epigenetic mark frequently deregulated in cancer. Biochim Biophys Acta 2015; 1855:144–154.
6. Lian CG, Xu Y, Ceol C, Wu F, Larson A, et al. Loss of 5-hydroxymethylcytosine is an epigenetic hallmark of melanoma. Cell 2012; 150:1135–1146.
7. Fain O, Mathieu E, Thomas M. Scurvy in patients with cancer. BMJ 1998; 316:1661–1662.
8. Hu F, Wu Z, Li G, Teng C, et al. The plasma level of retinol, vitamins A, C and alpha-tocopherol could reduce breast cancer risk? A meta-analysis and meta-regression. J Cancer Res Clin Oncol 2015;141:601–614.
9. Harris HR, Orsini N, Wolk A. Vitamin C and survival among women with breast cancer: a meta-analysis. Eur J Cancer 2014; 50:1223–1231.

1

MUDr. Pavel Kostiuk, CSc., et al.
Edukafarm, Praha

08.02.2018