Acidi grassi e regolazione dell’espressione genica: aspetti

fisio-patologici

Gianna Ferretti

Università Politecnica delle Marche

Ancona, 15 Settembre 2011

Ipotesi lipidica (Seven Countries Study)

Ruolo del colesterolo e grassi animali come responsabili delle patologie cardiovascolari.

Patologie cronico-degenerative: Meccanismi molecolari e Markers biochimici

Ipotesi infiammatoria

Citochine proinfiammatorie

Interleuchine

TNFalfa

Ipotesi ossidativa Ruolo del danno ossidativo alle principali macromolecole

Radicali liberi,

Antiossidanti endogeni ed esogeni

Perossidazione lipidica delle LDL e HDL

•Apporto eccessivo di grassi e di colesterolo

•Apporto squilibrato tra vari acidi grassi contenuti nei trigliceridi presenti negli alimenti

Acidi grassi: Apporti alimentari ed effetti sul metabolismo lipidico

•Rapporto tra acidi grassi monoinsaturi e acidi grassi poliinsaturi

• Rapporto tra acidi grassi omega 3/ omega 6

Apporto di acidi grassi insaturi (trans)

Rapporto tra acidi grassi saturi e insaturi

Apporto di acidi grassi ossidati

100

50

0

% Energy

Low-fat meatChickenEggsFish

FruitVegetables (carrots)NutsHoney

100

50

0

% Energy

FruitVegetablesBeans

MeatChickenFishProcessed foods

GrainMilk/-productsIsolated CarbohydratesIsolated Fat/OilAlcohol

1.200.000 Generations between feast en famine

Paleolithic era

2-3 Generations in energy abundance

Modern Times

Geni “paleolitici” e nuovi stili alimentari

0

10

20

30

40

-4x106

-10000

1800 1900 2000Tempo(anni)P

erc

en

tuale

di en

erg

ia

deri

vata

d

a

acid

i g

rassi (%

)

Grassi totali

Acidi Acidi grassi grassi saturisaturi

Acidi grassi Acidi grassi omega 6omega 6

Acidi Acidi grassi grassi transtransAcidi grassi Acidi grassi

omega 3omega 3

VLDLLPL

CM Remnant

acidi grassi liberi

Lipidi

Trigliceridi

Chilomicroni (CM)

Effetto dei lipidi della dieta

Acidi grassi

Intestino

ox-VLDL ox-VLDL

ox-HDL ox-HDL

Intake di acidi grassi

ossidati

LPL

ox-CM ox-CM

VLDL assembly

LPL

1 2

3

4

4Intestino

Fegato

assorbimento

Effetto dei lipidi ossidati della dieta

Ferretti G Effect Of Dietary Lipids On Paraoxonase-1 Activity And Gene Expression R Nutrition, Metabolism and Cardiovascular Diseases (in press)

•Substrati energetici

• Composizione delle membrane biologiche e proprietà chimico-fisiche

•Trasduzione del segnale

Acidi grassi e loro ruoli fisiologici

• Acidi grassi omega 3 precursori di mediatori anti-infiammatori TXA3, PGE3, LTB5

•Acidi grassi omega 6 precursori di mediatori infiammatori PGG2, LTB4, TXA

•Regolazione dell’espressione di geni coinvolti nella sintesi o catabolismo lipidico (fegato, tessuto adiposo) (Upregulation o Downregulation)

Acidi grassi e regolazione dell’espressione genica via sensing molecular switches

J Clin Invest. 2004;114:94-103J Biol Chem. 2006;28:934-44 Endocrinology. 2006;147:1508-16Physiol Genomics. 2007;30:192-204

Am J Clin Nutr. 2007;86(5):1515-23PLOS ONE 2008;3(2):e1681 BMC Genomics 2008; 9:231BMC Genomics 2008; 9:262J Biol Chem. 2008;283:22620-7Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2009;29:969-74.Plos One 2009;4(8):e6796HEPATOLOGY 2010;51:511-522

Am J Clin Nutr. 2009; 90:415-24Am J Clin Nutr. 2009;90:1656-64Mol Cell Biology 2009;29:6257-67Am J Clin Nutr. 2010;91:208-17

DietaAcidi grassi

nucleo

Target gene

Il metabolismo lipidico nei mammiferi e nell’uomo è regolato da fattori di trascrizione che regolano geni coinvolti nella sintesi, nel catabolismo dei lipidie infiammazione

peroxisome proliferator-activated receptors (PPARα, ß, γ1, and γ2),

sterol regulatory element binding protein-1 (SREBP-1),

hepatic nuclear factors (HNF-4α and γ),

retinoid X receptor (RXRα),

liver X receptor (LXRα)

……….

Metabolic Regulation of Gene Transcription in Mammals

Nutrienti e regolazione dell’espressione genica: Meccanismi molecolari

Peroxisome proliferator-activated receptors una famiglia di recettori nucleari che regolano geni coinvolti nella sintesi o catabolismo dei lipidi .

Acidi grassi Membrana cellulare

Membrana nucleare

PPAR alfa -Affinità degli acidi grassi

acidi grassi poliinsaturi (PUFA) > acidi grassi monoinsaturi (MUFA) > acid grassi saturi (SFA)

Acidi grassi a lunga catena > acidi grassi a media e corta catena

Idroperossidi ed eicosanoidi

Target: Geni coinvolti nel catabolismo lipidico e infiammazione

Geni coinvolti nell’ossidazione degli acidi grassi

Beta- Ossidazione perossisomi

Beta-Ossidazione mitocondri

Sintesi acidi grassi

Sintesi trigliceridi

Geni lipogenici

SREBP1

Acidi grassi poliinsaturi (PUFA) e regolazione dell’espressione genica

sterol regulatory element binding protein-1

PPRE responsive element

Vetrino microarray (GeneChips)

Estrazione di RNA dai campioni

Marcatura cDNA labelling kit

Eccitazione dei fluorocromi e valutazione segnale fluorescente

ANALISI DEI DATI

Rosso (upregulation)

Verde (downregulation)

Giallo nessuna differenza

DNA-microarrayTecnologia che permette di ottenere

con un’unica analisi i profili di espressionedi migliaia di geni, contemporaneamente.

Acidi grassi saturi e monoinsaturi a confronto in soggetti in sovrappeso

SFA-rich diet (n=20)

Dieta ricca di acidi grassi saturi (19%SFA,11%MUFA)

Dieta ricca in acidi grassi monoinsaturi ( 11%SFA, 20%MUFA)

-Biopsia tessuto adiposo - Prelievo di sangue

T=0 T=2 settimaneT=10 settimane

Van Dijk et al. AJCN 2009

-Biopsia tessuto adiposo - Prelievo di sangue

La dieta ricca in acidi grassi saturi si riflette in un aumento dell’espressione di geni pro-infiammatori nel tessuto adiposo

Diminuita espressione e diminuzione del livello plasmatico della adiponectina, una citochina anti-infiammatoria

La dieta ricca in acidi grassi Monoinsaturi si riflette in una diminuzione dell’espressione di geni pro-infiammatori nel tessuto adiposo

SFA diet MUFA diet

Acidi grassi saturi e monoinsaturi a confronto

Fish-oil supplementation induces anti-inflammatory gene expression profiles in human blood mononuclear cells

Bouwens et al. Am J Clin Nutr. 2009

Dose bassa di supplemento EPA/DHA (0,4g) , corrispondente a 2 porzioni di pesce a settimana

Trattamento per 26 settimane

N=351 soggetti >65 anni di età

Supplemento Alto contenuto in oleico

Dose elevata di supplemento EPA/DHA 1,8g) corrispondente a 10 porzioni di pesce a settimana

12256 geni espressi nei leucociti polimorfonucleati

Supplemento EPA/DHA1040 geni modificati

Supplemento Alto contenuto in oleico298 geni modificati

Down-regulated188 geni

Up- regulated537 geni Upregulated

110 geni

Down -regulated503 geni

Geni coinvolti nella infiammazioneGeni pro-aterogenici

Overlap 140 geni

Fish-oil supplementation induces anti-inflammatory gene expression profiles in human blood mononuclear cells

PUFA milk shake (65% PUFA)

MUFA milk shake (80% MUFA)

SFA milk shake 70% SFA

T0 T= 6 0re dopo assunzione

Effetto di un milk shake con il 70% delle calorie fornite da grassi

(21 soggetti)

13,365 geni espressi nei leucociti polimorfonucleati

PUFA milk shake

437 geni modificati

SFA milk shake

297 geni modificati

Down-regulated101 geni

Up- regulated225 geni

Upregulated196 geni

Down -regulated212 geni

Geni coinvolti nello stress ossidativo, metabolismo del glutatione, infiammazione

Overlap 146 geni

Acidi grassi e regolazione dell’espressione genica durante la gravidanza

Conclusioni

Gli acidi grassi si comportano come molecole idrofobiche ad azione ormono-simile

Tutti gli acidi grassi esercitano un ruolo regolatore dell’espressione genica ed è stata stabilita una relazione tra struttura delle molecole e loro effetto modulatore

L’effetto regolatore si osserva in diverse condizioni fisiologiche .

Le modificazioni osservate (up-regulation o down-regulation) si instaurano precocemente, in assenza di modificazioni significative dei lipidi plasmatici e/o alterazioni del metabolismo glucidico.