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DNA健康防御系统如何保护我们的健康?

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健康不仅仅是没有疾病,真正的健康是指一个人在身体、精神和社会等各方面都处于良好和最佳的状态,一方面是人体各系统具有良好的生理功能,另一方面是对疾病的抵抗力较强,能够很好地适应环境的变化以及各种致病因素对身体的刺激。真正的健康由身体内一系列自然防御系统保护着,从出生到生命的最后一天,这些防御系统都在工作,使我们的细胞和器官正常运作。

前面,我们已经讨论了我们身体的其中三个自然防御系统:

血管生成防御系统:人人体内都可能有微肿瘤,健康的血管生成防御系统阻止它们生长

再生防御系统:身体有自我更新细胞的能力,来看看我们的再生防御系统

肠道微生物防御系统:肠道菌群也是我们身体的一大自然防御系统

DNA健康防御系统

DNA描绘了一个人的基因蓝图,它扭曲成螺旋楼梯的形状,称之为双螺旋。这是由从父母那里遗传的基因组成的,这是我们健康的各个方面赖以生存和正常工作的源代码。然而,DNA是相当脆弱的,是我们一生中被攻击的目标。

我们的DNA每天有着超过一万件自然发生的破坏性事件,其中有些错误是当数以万亿计的细胞在日复一日、不间断地工作和复制时偶然发生的,而其它错误是身体内发生的某些破坏性事件的副作用,比如炎症或感染。还有一些是我们呼吸的空气中、吞咽的食物中以及通过皮肤从日用品和其它环境源中吸收的有毒化学物质造成的。

无论发生什么,每一个错误都有可能使我们的DNA损伤,对我们的健康造成严重破坏。考虑到这种每天都发生的DNA损伤,我们可能想知道为什么我们没有更频繁地生病或者每天形成致命的癌症。这是因为我们的DNA天生就会保护自己,从而保护我们的健康不受到这种破坏的影响

我们每天听到很多关于DNA的事情,比如,通过基因检测预测一个人罹患遗传性癌症和其它疾病的风险;通过DNA编辑技术,用健康的基因替换有缺陷的基因,等等。但是,我们今天不想说这些,我们想说说DNA是如何作为我们的健康防御系统之一而发挥作用的。

当我们的DNA因任何原因受损时,我们的遗传指令在体内的执行方式就会发生错误。当我们的基因突变被遗传,灾难性的疾病就会发生。随着年龄的增长,我们的DNA会逐渐老化。在我们的一生中,我们所做的选择,包括我们住在哪里、我们吃什么和我们的生活方式,要么帮助要么伤害我们的DNA。如果我们想要健康,保护我们的DNA是至关重要的。当人类的遗传密码完美运作时,我们就会身体健康;当它崩溃或变异时,我们的健康就可能受到威胁

我们的DNA使用独特的机制来保护自己。我们的细胞已经进化出强大的修复过程,持续监控我们的DNA结构异常。如果发现了,修复机制就会检查DNA编码的多组相同信息。受损的DNA片段被我们细胞中的分子剪刀剪下,并被正确的结构和序列替换。这可以防止DNA复制自身时,绝大多数可能发生在DNA上的异常被遗传下去。

DNA防御系统的另一种工作方式是通过一种称为表观遗传变化的反应,这使得DNA通过放大有益基因和阻止有害基因来对环境和生活方式(包括饮食)做出反应

端粒是保护DNA的另一个关键。端粒是存在于染色体末端的一小段DNA-蛋白质复合体,它与端粒结合蛋白一起构成了特殊的“帽子”结构,这就如同鞋带两端的塑料头一样。它们保护我们的DNA,使其不会随着年龄的增长而磨损。良好的饮食、高质量的睡眠、有规律的运动和其它健康的活动可以保护我们的端粒。

DNA的历史

尽管我们大多数人都听说过DNA,但其实我们对DNA的了解只有150年,并且在过去50年破解了它的密码。对遗传的研究可以追溯到一个叫格雷戈尔·孟德尔的科学家,孟德尔注意到,在他花园里种植的豌豆可以通过杂交以获得某些性状,比如颜色和形状。1866年,他发表了他的研究,表明生物性状从一代传递到下一代具有一些特定的规律,这些被称为孟德尔遗传规律,孟德尔推测一些不可见的因素(基因)携带的信息可以决定任何生物的特性。

1869年,德国一个名叫Friedrich Miescher的医生发现了DNA的第一个实际物证。Miescher检查了在克里米亚战争中受伤的士兵绷带上取下的伤口脓液。他发现了一些不寻常的物质,他认为这些物质来自细胞内部,把它命名为“核素”(nuclein)。十二年后的1881年,Miescher的老师、德国生化学家Albrecht Kossel觉得值得更仔细地研究这一发现。Kossel发现核素是由脱氧核糖核酸构成的,并创造了DNA这一术语。1910年,这一发现为他赢得了第一个因DNA研究而获得的诺贝尔奖。

然而,DNA的真正本质在接下来的71年里仍然是一个谜。1952年,伦敦国王学院的Rosalind Franklin拍摄了第一张高分辨率的DNA照片;在这些图像的指导下,James Watson和Francis Crick第二年在剑桥大学研究出了DNA的结构,有效地破解了“生命密码”,并因此在1962年获得了DNA的第二个诺贝尔奖。此后,成千上万的科学家涌入DNA研究领域,试图解开它们的秘密。

1990年,人类历史上最雄心勃勃的科学事业之一开始了,那就是人类基因组计划。这一伟大的事业涉及美国、法国、德国、西班牙、英国、中国和日本的二十多所大学以及美国国立卫生研究院和一家名为Celera Genomics的私人企业,其目标是绘制出人体的每一个基因。2003年4月14日,人类基因组计划的测序工作完成。

DNA的科学

DNA的源代码是用A、T、C、G四个字母写成的,它们分别代表腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤四种碱基。DNA的螺旋式楼梯结构的台阶是由这些碱基不同的配对组合(A-T和C-G)而成。编码完整蛋白质的一组配对序列被称为基因,它类似于螺旋楼梯上的一组台阶。总的来说,我们的基因编码了制造我们身体维持生命所需的一万种蛋白质所需的指令

我们体内的每个细胞都知道如何阅读这个源代码。细胞将这些密码下载到一个类似微型3-D打印机的细胞机器中,根据这些密码制造蛋白质。这些蛋白质的产生在我们生命的每一秒都在幕后默默进行,从我们被怀上的那一刻到我们死去的那一刻。

为了让基因组保持健康,首先要考虑一下我们体内惊人的DNA数量。每个细胞都含有大约2.04米长的DNA,它们缠绕在一起形成染色体,每个细胞的细胞核中有46条染色体(23条来自母亲,23条来自父亲)。如果我们把体内所有细胞(目前估计有50万亿个细胞)的DNA拉直,并把它们首尾相连,长度大约是1020亿公里,这可以从地球到太阳之间往返约340次。真正有趣的是,实际上只有3%的DNA构成了我们的基因,另外97%的DNA就像空中交通管制人员一样,指导身体如何使用这些基因。

就像在繁忙的机场,训练有素的空中交通管制人员确保飞机安全起飞和降落一样,DNA功能的精确性也是绝对必要的。任何错误都可能带来致命的后果。当DNA源代码被破坏时,细胞中的3-D打印机可能会产生过多的有害蛋白质或过少的有用蛋白质,甚至会产生完全错误的蛋白质或有缺陷的蛋白质。这些错误可能会造成可怕的后果,就像空中交通管制的误导可能导致小的事故甚至机毁人亡一样。

DNA损伤的危险

不幸的是,我们的世界对于DNA来说是一个非常危险的地方。许多外部因素会造成威胁,因为它们会破坏我们的DNA源代码。虽然许多危险是由工业化造成的,但并非所有的威胁都是人为造成的。事实上,紫外线辐射是对DNA最有害的因素之一。研究表明,如果不加以防护,来自太阳的有害紫外线会穿透我们的皮肤,每小时能对我们的DNA造成10万个损伤。从阳光下回到室内并不意味着对DNA的攻击就结束了。耶鲁大学的科学家们已经证明,在结束阳光照射后,这种损害仍在存在。皮肤中的黑色素实际上会通过一种叫做化学激发的过程来储存能量。一旦你到室内,这种被压抑的能量就会被释放出来,即使你不在阳光下,它也会持续3个多小时,对皮肤细胞的DNA造成突变损伤。

太阳不是唯一的威胁,地面也会散发出破坏性的辐射,它是以氡的形式存在。氡是一种通过地下室进入家庭的无味的天然气体。地球的不同部分会释放出不同水平的氡,它是一个看不见的家庭入侵者,能够破坏我们的DNA。事实上,氡是不吸烟者患肺癌的头号原因。如果你吸烟,吸入氡会增加吸烟引起的肺癌风险。

吸烟本身对DNA也是有毒的。据估计,香烟烟雾中含有4000种化学物质,其中有70种被证明是致癌的,包括苯、砷和甲醛。吸入这些化学物质会引起全身的炎症。即使你不吸烟,二手烟对家人、朋友、同事甚至宠物的DNA也同样有害。

各种常见的家庭日用品,比如洗发水、沐浴露等中的化学物质也会损害我们的DNA

研究表明,这些有毒物质对DNA的损害甚至会影响我们的后代。例如,父亲精子中的DNA可能会受到有毒化学物质的影响,比如双酚A(用于制造塑料)、邻苯二甲酸二乙酯(用于制造荧光棒)和镉(在陶瓷釉料和香烟烟雾中发现),它们会通过表观遗传机制改变精子中的基因,这种改变会传递给他的后代。同样,母亲在怀孕期间接触到的苯(汽油中)、全氯乙烯(干洗中使用)和香烟烟雾等有害化学物质也会在胎儿的DNA上留下痕迹,这将会伴随孩子一生。

DNA损伤会让我们生病甚至致死。但是,DNA有一个重要的使命,尽可能完整地从一代传递给下一代。为了确保它能完成这一使命,DNA拥有防御机制来对抗这些有害因素

DNA的第一个健康防御机制:DNA修复

每天发生的DNA损伤数量惊人,但是我们的DNA天生就能在发生问题之前修复大部分损伤。由于DNA内在的自我修复酶,每一千个错误中估计只有不到一个会变成永久性突变。它们的修复能力被完美地设计来修复DNA的独特结构。

在每一条正常的DNA链中,构成双螺旋结构的螺旋楼梯的每一个台阶都包含两个分子。DNA对于分子如何配对有严格的规则。腺嘌呤(A)总是和胸腺嘧啶(T)配对,而胞嘧啶(C)总是和鸟嘌呤(G)配对,这就是碱基配对。一些常见的DNA损伤破坏了这种配对。在每个细胞中,胞嘧啶每天大约会自发地转化为一种不同的化合物100次,产生错误的配对。暴露在太阳辐射下是另一个触发因素,可以导致两个胸腺嘧啶分子粘在一起,产生一组异常的化学连体双胞胎,它们不能正常工作。自由基也会造成严重的损害。这些天然化学物质含有一种高度不稳定的氧原子,可以向周围环境释放能量,破坏正常DNA的有序配对。

我们的细胞含有修复酶,可以发现并修复这种损伤。当酶看到偏离有序的DNA双螺旋结构时,它们就会迅速行动起来。当发现DNA缺失或损坏的部分时,就会用正常的部分代替。就像裁缝修补破损的衣服一样,修复酶匹配材料并将其缝合,使其尽可能无缝。

科学和临床研究表明,食用某些食物可以减少DNA损伤,要么通过提高损坏后修复过程的速度和效率,要么通过在第一时间防止损坏。抗氧化剂通常被认为是DNA的保护剂。它们可以通过中和漂浮在我们血液中的自由基来防止损害,但是在损害已经造成之后,它们不能帮助DNA

当DNA修复系统开始发挥作用时,细胞知道它必须限制任何已经发生的损害的连锁反应,所以,它们会在DNA复制上刹车。这确保了受损的DNA不太可能被传递下去。如果有太多的损伤需要修复,一个细胞就会通过一种叫做细胞凋亡的过程触发自己的死亡,这是一种特殊的自毁程序,当细胞不再能够在体内发挥其功能时,就会导致细胞死亡

DNA的第二个健康防御机制:表观遗传变化

与人们普遍认为的相反,我们的基因命运并不是与生俱来的。恰恰相反,虽然我们的DNA密码本身不会改变,但是特定的基因可以根据环境的变化而开启或关闭,这包括我们呼吸、触摸和吃的东西。基于这种现象,DNA还有另一种保护我们健康的方法,那就是表观遗传

表观遗传学回答了为什么我们身体里的每个细胞都有相同的DNA,却拥有各种不同的功能的问题。每个细胞周围的组织环境在每个器官之间都是独特的。例如,心脏细胞表达的基因使它们产生电流,产生心跳并将血液输送到全身。心脏中的基因受心脏细胞周围微环境的影响。人类视网膜细胞位于眼睛的后部,它们利用自己的DNA产生识别光线的蛋白质,并将信号传输给大脑,形成视觉。视网膜细胞受周围环境的影响,也受光线本身的影响。值得注意的是,心脏和视网膜细胞都使用完全相同的DNA源代码,但它们使用的部分是不同的,这是由它们的器官微环境和DNA需要完成的功能决定的。

表观遗传表达不是固定的,即使在单个器官中也是如此。我们的DNA会对内部和外部环境做出反应。压力、睡眠、运动等是影响表观遗传的一些内部环境;一些外部影响会从表观遗传学上改变我们的DNA活动,包括我们的饮食。植物性食物、茶或咖啡中的生物活性物质可以从表观遗传学上对我们的DNA产生积极的影响;高度加工食品中发现的化学物质也会影响我们的DNA,但是是负面的。由于表观遗传,有益的基因可以被放大,有害的基因可以被阻断

表观遗传变化的形式

饮食和环境可以导致表观遗传变化,甲基化和组蛋白修饰是表观遗传变化的两种形式通过这些机制,DNA通过打开正确的基因或关闭错误的基因来保护我们的健康

  • 甲基化

我们先来看看甲基化。DNA的螺旋式楼梯结构是这样的,楼梯的两个平行的边缘是DNA的骨架,而台阶是由连接边缘的碱基对A-T或C-G组成。这些碱基对就像拉链上的链齿,沿着DNA的整个长度运行。当利用DNA时,特殊的细胞机制会解开DNA“拉链”,并读取上面的“链齿”碱基,其中包含了合成蛋白质的源代码指令。甲基是一种化学基团(专业一点说就是CH3),可以在DNA链被读取时进入其中,这就叫做DNA甲基化。

甲基化改变了细胞读取DNA指令的方式。高甲基化发生时,大量甲基进入DNA链,造成干扰或一种形式的DNA破坏。由于甲基化,DNA链的那个区域不能被读取,因此那部分DNA负责合成的任何蛋白质都不会被制造出来。就有害蛋白质而言,这种表观遗传变化可以阻止该蛋白质的合成,这是一件好事。

和生物学上的大多数事情一样,相反的情况也会发生,称为去甲基化。这是指那些正常情况下将基因隐藏起来的甲基被移除。突然之间,DNA链的那部分就自由了,基因就可以制造成大量的蛋白质。如果释放出来的蛋白质是一种有益的蛋白质,比如抑制癌症的蛋白质,那就是一件好事。

  • 组蛋白修饰

组蛋白修饰是另一种形式的表观遗传变化。像甲基化一样,这种修饰使某些基因更多或更少的被使用。组蛋白是细胞内折叠成球状结构的蛋白质,DNA缠绕在这些组蛋白上。一根DNA链有很多个组蛋白,因此这条链就像一根攀岩绳,组蛋白结贯穿整个长度。一些特殊的酶可以帮助解开这些组蛋白结,因此蛋白质合成机器可以读取源代码。一种叫做乙酰基的化学基团可以添加到组蛋白上(乙酰化)或从组蛋白上去除(脱乙酰化),从而改变组蛋白的形状。

结果是不同的基因可以暴露或隐藏,从而使细胞产生更多或更少的蛋白质。隐藏或暴露基因对我们的健康是有益还是有害,取决于特定的基因以及它们产生的蛋白质是有益的还是有害的。如果一个基因产生一种有益的蛋白质,比如肿瘤抑制因子,那么解开DNA就能保护我们的健康;如果一个基因会产生有害的影响,那么将DNA重新缠绕起来就有好处了。

  • microRNA

第三种表观遗传变化涉及到microRNA。虽然DNA包含蛋白质的实际源代码,但在合成蛋白质的过程中,DNA源代码首先被转化为一种称为RNA的模板,RNA参与完成合成蛋白质的实际工作。但是,有一种特殊的RNA叫做microRNA,它们漂浮在主RNA模板周围并与主RNA模板相互作用,控制有用蛋白质的合成。据认为,microRNA控制了合成这些蛋白质的至少30%的基因。

让我们尽可能简单地总结一下表观遗传学:

——甲基化使基因沉默,从而阻碍蛋白质的合成;去甲基化帮助基因合成蛋白质。

——乙酰化使DNA与组蛋白解离,使基因合成蛋白质;去乙酰化使DNA与组蛋白之间的缠绕收紧并隐藏DNA,因此蛋白质的合成更少。

——MicroRNA可以通过干扰RNA模板选择性地关闭特定蛋白质的合成。

大多数健康的活动都会产生积极的表观遗传变化,例如:适当的运动会导致表观遗传变化,释放出我们的基因制造有用的蛋白质,来构建肌肉,增加心脏的泵血能力,生长新的血管来支持肌肉扩张以及降低血脂。适当运动引起的其它表观遗传变化可以阻止有害基因的表达。

对实验鼠的研究表明,运动提高了大脑中的DNA活性。这是因为组蛋白乙酰化的表观遗传改变释放了DNA,所以可以合成更多的蛋白质来维持大脑健康。运动对DNA的影响远远超出了自身的健康,对于男性来说,运动在某种程度上影响他们的精子,进而影响他们的后代。哥本哈根大学的一项临床研究调查了运动的表观遗传影响:20岁出头的健康男性志愿者在专业教练的带领下进行一小时动感单车运动,每周5天,连续6周,研究人员在研究开始前、六周的动感单车运动后以及随后三个月不运动后,收集了这些男性的精液,对精子进行了分析。动感单车运动引起精子DNA上负责未来胎儿的大脑功能和神经系统发育的特定区域发生持久性的表观遗传变化。因此,一个男人的日常锻炼可能对他未来的孩子的大脑健康有益。

晚上睡个好觉会导致DNA的表观遗传变化,熬夜也是一样,但前者是好的变化,而后者是坏的。冰岛大学和瑞典乌普萨拉大学的研究人员对16名20多岁的健康年轻人进行了一项研究,在他们一夜8小时的睡眠和一天睡眠剥夺之后,检测了他们的DNA。

研究表明,8小时的睡眠开启了代谢脂肪和预防肥胖的基因,而睡眠剥夺会干扰这些基因。睡眠不足会使儿童肥胖的风险增加45%。睡眠的表观遗传效应很深远,一个晚上的睡眠不足会在表观遗传学上干扰多达269个基因,阻止它们被用于合成蛋白质,其中包括肿瘤抑制基因,这是很糟糕的,当阻止癌症的基因沉默时,会增加我们患肿瘤的风险。

冥想会导致有益的表观遗传变化,降低与炎症相关的基因的活性。另一方面,压力从表观遗传学上释放了与炎症相关的DNA。经历过严重创伤和有创伤后应激障碍的人的DNA中显示出许多有害的表观遗传变化。

环境危害与癌症、自闭症、抑郁症、精神分裂症、阿尔茨海默病、自身免疫性疾病、糖尿病、炎症性肠病、肥胖症以及其它一系列严重健康问题患者的表观遗传变化有关。自然,减少暴露在任何可能产生有害的表观遗传效应的环境中是很重要的。与此同时,饮食干预可以利用我们的身体的能力进行积极的表观遗传改变,激活对健康有益的基因。

DNA的第三个健康防御机制:端粒

端粒是DNA防御机制的第三部分。端粒是染色体DNA两端的保护帽,帮助维持染色体的结构,防止它们粘在一起。端粒对于保护我们的DNA非常重要,以至于一种叫做端粒酶的酶一直在发挥作用,帮助修复随着我们年龄增长而自然缩短的端粒。2009年,加州大学旧金山分校的Elizabeth Blackburn因对端粒的研究而获得诺贝尔奖,这是与DNA研究有关的第三个诺贝尔奖。Blackburn发现,如果没有端粒酶,端粒就会快速缩短,DNA得不到保护,细胞会迅速衰老和死亡。

然而,在我们生命后期保持健康端粒的基础早在我们的童年早期就奠定了。加州大学旧金山分校的研究人员进行的一项研究表明,母乳喂养可以提高孩子的端粒长度,与配方奶喂养的孩子相比,那些在婴儿时期纯母乳喂养的孩子到他们学龄前(4-5岁)的时候端粒更长。这也显示了端粒效应的持久性,即在孩子断奶和添加辅食多年后,母乳喂养的益处仍然存在。

另一方面,随着年龄的增长,端粒确实会不可避免地变短。对65岁以上人群的研究表明,端粒较短的人比端粒较长的人死得更早。那么,是什么行为加速了端粒的缩短呢?吸烟、压力大、睡眠差和缺乏运动会加速端粒的磨损,降低端粒酶的活性

那些有趣的是,活到100岁的人的端粒非常长。2008年的这一发现促使人们开始研究生活方式和饮食习惯如何延长端粒长度。对于生活方式,有规律的运动与较长的端粒有关。放松可以增加压力下人们的端粒酶活性并保护端粒,人们甚至对放松的方式进行了比较。例如,做瑜伽比听音乐更能保护我们的端粒。2008年,Dean Ornish与Blackburn合作,在《柳叶刀肿瘤学》杂志上发表了他们具有里程碑意义的研究,研究表明,全面的生活方式改变可以提高前列腺癌患者端粒酶对端粒的保护作用,并在5年的后续研究中保持这种效果。除了对端粒酶的影响,生活方式的改变在有利于抑制癌症的血管生成蛋白中产生了表观遗传效应。

那么,我们的饮食如何影响我们的DNA健康防御系统呢?接下来,我们将介绍那些帮助释放保护我们的基因,同时减弱有害基因以及有益于我们的DNA防御系统的健康饮食,敬请关注!

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