NUTRIGENOMICANUTRIGENOMICA

LA NUTRIGENOMICA STUDIA LA NUTRIGENOMICA STUDIA L’INTERAZIONE DEI NUTRIENTI L’INTERAZIONE DEI NUTRIENTI

COL GENOMA UMANOCOL GENOMA UMANO

fenotipofenotipo

Interazione genoma/fattoriInterazione genoma/fattori ambientaliambientali

La SCIENZA DELLA NUTRIZIONE

conoscenze di base

(caratterizzazione dei nutrienti, biochimica e

fisiologia del loro metabolismo, delle

vie di segnale e del loro ruolo

nell’omeostasi)

studio degli errori del

metabolismo presenti fin dalla

nascita

comprensione dei primi meccanismi di interazione

gene-nutriente

ha lo scopo di capire il ruolo dei ha lo scopo di capire il ruolo dei nutrienti e di altri componenti nutrienti e di altri componenti della dieta nello stato di salute o della dieta nello stato di salute o malattia dell’uomo lungo tutto il malattia dell’uomo lungo tutto il ciclo di vita.ciclo di vita.

Oggi si è fatta avanti l’ipotesi secondo la quale le patologie croniche sono provocate da un insieme di varianti genetiche che contribuiscono allo sviluppo della malattia.

La complessità di queste interazioni genetiche ha reso difficile per gli studi di epidemiologia molecolare localizzare i geni associati alle malattie croniche.

NUTRIGENOMICANUTRIGENOMICA

Studio delle basi molecolari sull’interazione tra i componenti individuali del cibo da una parte e il genoma e il metabolismo del singolo individuo dall’altra.

I nutrienti possono avere un I nutrienti possono avere un effetto diretto e indiretto effetto diretto e indiretto sull’espressione genica. sull’espressione genica.

Concetti base della Concetti base della nutrigenomicanutrigenomica

Concetti base della nutrigenomica

Dietary chemicals

1-ligandi per fattori di trascrizione

3-influenza +/- sulle vie di trasduzione del segnale

2-Alterazione [ substrati-intermedi ]

ESPRESSIONE GENICA

Esempi di fattori di trascrizione sensibili ai Esempi di fattori di trascrizione sensibili ai nutrientinutrienti

Nuclear Factor –kB: fattore di trascrizione

FlavonoidiNon nutrienti

Retinoic X Receptor: RXRPregnane X Receptor:PXR

Vitamina AVitamina E

Vitamine

SREBPsGlucosioCarboidrati

PPARs: recettori per fattori di trascrizione legati al metabolismo cellulare; SREBP: sterol regulatory element binding transcription factor 1

Acidi grassiColesterolo

Grassi

Fattori di trascrizioneComposti

Nutrienti

Concetti base della Concetti base della nutrigenomicanutrigenomica

Concetti base della nutrigenomica

FFA PPAR α/β/γ Influenza espressione genica

L’importanza della Dieta

Influenza dieta in malattie causate da una singola mutazione

Emocromatosi

PKUGalattosemia

Controllo attraverso una dieta adeguata

Dieta come fattore di rischio

Esempi di ridotto intake di specifici micronutrienti

Vitamine B, E, Carotenoidi CVD

Folati e carotenoidi Cancro

Folati Difetti del tubo neuraleB6, B12 e folati Iperomocisteinemia

Dieta come fattore di rischio

Effetti di un alterato intake di proteine

Alcuni metodi di cottura producono composti nocivi

nitrosammine

Un eccessivo consumo di carni nei soggetti “acetilatori rapidi” ed elevata attività del CYP1A2 aumenta il rischio di carcinogenesi(Lang et al.; Vineas & Mc-Micheal, 1996)

Concetti base della nutrigenomica

Paradigma INTERAZIONE DIETA-GENOTIPO

Controllo dei sintomi:dieta ed attività fisica

Individui refrattari:trattamento

farmacologico

Il rimodellamento della cromatina o metilazione

del DNA indottida dieta sbilanciata

contribuiscono all’irreversibilità

della mutazione genica

DMT2

Concetti base della nutrigenomica

TARGET

IDENTIFICARE I GENI DELLE MALATTIE CRONICHE

APPROCCIO GENETICO

DIFFICOLTA’

•Popolazioni campionabili limitate

•Gruppi di controllo campionati in modo insufficiente

•Stratificazione della popolazione

NUTRIZIONE UMANA

GENOMICAGENOMICA NUTRIZIONALE

BIOCHIMICA

La NUTRIGENOMICA è l’applicazione delle tecnologie genomiche in campo nutrizionale. Essa rappresenta l'interfaccia tra l'ambiente e i processi cellulari/genetici.

Tale scienza consente di capire in che modo sostanze nutritive influenzano l'equilibrio tra salute e malattia, alterando l'espressione e/o la struttura genetica.

Basi concettuali della ricerca in campo nutrigenomico

Sostanze chimiche comunemente presenti nella dieta agiscono sul genoma umano in modo diretto o indiretto, alterando l'espressione o la struttura di un gene.

In alcune condizioni ed in alcuni individui la dieta può rappresentare un serio fattore di rischio di alcune patologie.

Alcuni geni regolati attraverso la dieta (e le loro varianti comuni) possono svolgere un ruolo nell'inizio, nella progressione e/o nella gravità di patologie croniche.

L'entità dell'influenza esercitata dalla dieta nell'equilibrio tra stato di salute e malattia, può dipendere dalla predisposizione genetica individuale.

Interventi dietetici basati sulle conoscenze dei fabbisogni nutrizionali, dello stato nutrizionale e del genotipo, possono essere utilizzati per prevenire, migliorare o curare patologie croniche (nutrizione individualizzata).

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OBIETTIVI PRIMARI DELLA RICERCA GENOMICA NUTRIZIONALEOBIETTIVI PRIMARI DELLA RICERCA GENOMICA NUTRIZIONALE

1.  Stabilire le raccomandazioni dietetiche in grado di:• avere un elevato valore predittivo per la prevenzione di malattie• minimizzare il rischio associato a effetti non prevedibili• ridurre le variazioni dovute a differenze genetiche

2. Delineare efficaci regimi dietetici per il management di complesse malattie croniche.L’identificazione degli alleli coinvolti in malattie complesse quali obesità, diabete, ipertensione ecc., consentirà di progettare interventi dietetici volti a prevenire e/o trattare i fenotipi di queste patologie.

RECIPROCHE INTERAZIONI TRA NUTRIZIONE E GENOMA RECIPROCHE INTERAZIONI TRA NUTRIZIONE E GENOMA

Le variazioni genetiche esistenti all’interno della specie umana sono il risultato di adattamenti molecolari a pressioni evolutive che si sono estese durante tutti i processi di mutazione dei geni e di selezione adattativa.

NutrientiComponenti

dietetici

fabbisogni

Variazione genetica

malattia

AplotipiInterazione tra

geniInterazioni tra

alleli

La comprensione delle interrelazioni tra diversità genetica umana, funzione del genoma e componenti dietetici consentirà di migliorare la salute umana e prevenire le malattie

La nutrizione probabilmente ha rappresentato il fattore ambientale più duraturo, persistente e variabile, che ha contribuito alla formazione e modellamento del genoma umano.Le conoscenze e le ricerche degli ultimi decenni hanno stabilito che il genoma umano viene continuamente modificato in risposta a esposizioni nutrizionali.

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Singoli componenti dietetici possono influenzare la velocità di mutazione genica.I nutrienti possono influenzare anche la vitalità del feto e modificare la penetranza di mutazioni deleterie: la nutrizione in utero del feto può essere considerata la pressione selettiva che contribuisce alla fissazionedi nuove mutazioniall’interno del genoma

Quindi si sviluppano risposte genomiche adattative a livello di trascrizione, traduzione e stabilità delle proteinea seguito delle condizioni dell’ambiente nutrizionale regolare la velocità e la quota di trasporto dei nutrienti regolare lo stato nutrizionale modificare le capacità di accumulo dei nutrienti modificare l’adattamento fine del flusso di intermedi

attraverso i punti di incrocio delle vie metaboliche ristrutturare la trascrizione (transcriptoma) e la produzione

di proteine (proteoma) dare l’avvio ai programmi di differenziazione cellulare, ciclo

cellulare e apoptosi

MECCANISMO D’AZIONE DEI NUTRIENTIMECCANISMO D’AZIONE DEI NUTRIENTI

dieta

Segnali di trasduzione

metabolismo

Normale crescita cellulare

Espressione dei geni

nutrienti

Le sostanze chimiche dietetiche possono influenzare l'espressione genica direttamente o indirettamente. A livello cellulare i nutrienti possono: A. Agire come ligandi per recettori di fattori di trascrizione; B. Essere metabolizzati da vie metaboliche primarie o secondarie e perciò alterare la concentrazione di substrati o intermedi; C. Influenzare positivamente o negativamente le vie di trasduzione di segnali cellulari.

Esempio di ligandi per recettori nucleariEsempio di ligandi per recettori nucleari

1. Regolazione diretta

acidi grassi quali: palmitico oleico, linolenico, arachidonico, linoleico e gli eicosanoidi, sono ligandi per le PPAR che quindi si comportano come sensori per ac. Grassi.Anche la vitamina A è in grado di legare direttamente recettori nucleari e influenzare l'espressione genica.

Esempio di ligandi per recettori nucleariEsempio di ligandi per recettori nucleari

2. Regolazione indiretta

I recettori nucleari SREBPs (sterol regulatory element binding proteins) vengono attivati da proteasi a loro volta regolate da condizioni quali: bassi livelli di oxysterols cambiamenti nel rapporto insulina/glucosio presenza di ac.grassi e PUFA

La dieta può rappresentare un fattore di rischio per malattie La dieta può rappresentare un fattore di rischio per malattie

La prima associazione tra l’intake di uno specifico alimento e una patologia risale al 1908 quando si scoprì che ratti nutriti a uova, latte e carne sviluppavano a livello di arterie lesioni simili all’aterosclerosi umana.Le associazioni tra colesterolo e ipercolesterolemia, tra ipercolesterolemia e

aterosclerosi portarono l’attenzione al legame tra l’ammontare calorico e/o livelli e tipi di vitamine, grassi e carboidrati rispetto a patologie quali aterosclerosi, cancro, diabete, obesità ecc.

I legami tra alimenti, geni e patologie multifattoriali sono difficili da chiarire come ad esempio dimostra il caso dell’associazione tra tipo e livello di grassi alimentari ed incidenza di tumore al seno.

gli individui possono potenzialmente presentare differenze in milioni di paia di basi ed alcune di queste differenze possono spiegare la diversa risposta alle stesse condizioni nutrizionali.

Con l’avvento delle informazioni che ci provengono dal sequenziamento genomico e lo sviluppo di metodologie ad alto impatto tecnologico, è ora possibile analizzate i SNPs o altri polimorfismi anche in geni multipli.

La possibilità di analizzare pattern di SNPs per subfenotipi di patologie croniche richiede sofisticati strumenti statistici e ampi studi di popolazione e storie familiari

Nello studio delle varabili genetiche un fattore da tenere in considerazione è dato dalle differenze nelle frequenze alleliche tra sottopopolazioni umane.

Si può considerare l’esempio del gene per la arilammina N-acetiltransferasi (NAT2) che è polimorfico. Le varianti codificano per un allele chiamato “acetilatore veloce” e diversi sottotipi di “acetilatori lenti” che sono diversamente rappresentati in diverse aree geografiche e in diverse regioni.

L’allele lento è presente nel 72% della popolazione caucasica e degli Stati Uniti, ma solo nel 31% di quella giapponese. Gli individui con l’allele NAT2 acetilatore lento sono più suscettibili al tumore alla vescica quando esposti ad agenti pro-ossidanti.

Le frequenze alleliche di NAT2 fanno comprendere quanto è importante conoscere sia la distribuzione allelica nelle popolazioni sia le influenze ambientali.

La variazione genetica interindividuale è un determinante critico per la definizione dei fabbisogni di nutrienti.

POLIMORFISMO DI UN SINGOLO NUCLEOTIDE

La variabilità genetica più comune è il polimorfismo di un singolo nucleotide (SNP) che è provocata dalla sostituzione di una singola base nella sequenza di DNA. Questo errore ricorre frequentemente (circa ogni 1000/2000 nucleotidi all’interno del genoma umano). L’SNP può essere il risultato di una:• predisposizione genetica• influenza ambientale• combinazione di entrambiL’SNP quindi, è alla base delle variazioni che si osservano negli individui e in tutte le forme di vita.Oggi sono stati identificati diversi polimorfismi genetici importanti anche dal punto di vista nutrizionale

SNP ad impatto nutrizionaleSNP ad impatto nutrizionale

PROCESSI CELLULARI

ESEMPI DI GENI con POLIMORFISMI NOTI

POSSIBILE IMPATTO NUTRIZIONALE

Metabolismo del folato

Metilene tetraidrofolato reduttasi, cistatione sintasi, glutammato carbossipeptidasiII

Difetti al tubo neuronale, sindrome di Down, patologie cardiovascolari, cancro

Omeostasi del ferro

Emocromatosi ereditaria legata al gene HFE e recettore della trasferrina

Modifica dei fabbisogni, anemia, sovraccarico da ferro

Salute dell’osso Recettore per la vitamina D, recettore per gli estrogeni, collagene tipo I

Associazione con la salute dell’osso, osteoporosi, mediazione nella traslocazione del calcio e del fosfato

Metabolismo lipidico

Apolipoproteine (AIV, B, B3, E), recettore per la lipoproteina lipasi a bassa densità

Miglioramento degli interventi dietetici per modificare i biomarkers cardiovascolari

Funzione immunitaria

HLA (MHC), fattore della necrosi tissutale, altre citochine

Variazione alle risposte immunitarie e alle allergie alimentari (es morbo celiaco), possibile modulazione tramite lipidi dietetici(es ac grassi polinsaturi) per modificare la suscettibilità al cancro attraverso la dieta

MECCANISMO D’AZIONE DI SNPMECCANISMO D’AZIONE DI SNP

Un esempio semplice ma chiaro di come un SNP possa alterare l’espressione genica è il polimorfismo che altera la tolleranza al lattosio.

Una mutazione verificatasi circa 9000 anni fa nel nord Europa ha modificato l’espressione del gene per la lattasi idrolasi (locus LCH). Benchè esistano 11 polimorfismi, classificati in 4 aplotipi differenti (A, B, C, U), un SNP chiamato C13910T localizzato 14 kb a monte del gene LCH è altamente associato con la tolleranza al lattosio. L’aplotipo A conferisce l’intolleranza al lattosio: frequenza del 86% nelle popolazioni del nord Europa, ma solo del 36% di quelle del sud. Il permanere di tale variante nelle popolazioni può conferire alcuni vantaggi selettivi che comprendono un’alimentazione migliore, la prevenzione delle disidratazione ed un miglior assorbimento del calcio.

Un altro esempio riguarda un comune polimorfismo nel gene A222V per il metilen-tetraidrofolato reduttasi (MTHFR). Questo SNP provoca la sostituzione di un amminoacido nell’enzima in grado di modificarne e alterarne l’affinità per il suo cofattore (vit.B12).

Via metabolica

normale

Via metabolica

normale

EnzimaEnzima

Enzima modificatoEnzima

modificato

Allele normaleAllele

normale

Accumulo di folato

Accumulo di folato

rimetilazione Hcy

rimetilazione Hcy

Iper-HcyIper-Hcy

Rischio tubo

neurale

Rischio tubo

neurale

codifica

codificaA222VA222V

Dieta ricca in folati

Dieta ricca in folati

Ipo-HcyIpo-Hcy

SNPs E SPLICING SNPs E SPLICING

Altri SNPs possono invece alterare lo splicing. Ad esempio esistono due varianti del recettore per lo splicing insulinico che differiscono per la presenza (variante B) o assenza (variante A) dell’esone 11. Solo l’isoforma A è associata con iperinsulinemia.

SNPs ED ATTIVITÀ ENZIMATICA

Un enzima chiave nel metabolismo androgenico della prostata, lo steroide 5-reduttasi (SRD5A2), ha 13 varianti naturali all’interno della popolazione. Nove di queste varianti riducono del 20% o più l’attività del SRD5A2, mentre altre 3 varianti ne aumentano l’attività del 15%.

Poiché SRD5A2 produce il diidrotestosterone, che a sua volta regola i geni prostatici, le varianti nel SRD5A2 possono influire positivamente o negativamente sull’insorgenza e gravità del tumore prostatico.

La metilazione a livello della Citosina è uno dei meccanismi legati alla attivazione/disattivazione del DNA. Alterazioni nel processo di metilazione, con le conseguenti alterazioni nell’espressione genica, possono avere importanti conseguenze per l’embriogenesi. Infatti le configurazioni di metilazione vengono definite già durante lo sviluppo embrionale e possono permanere per tutta la vita.

I polimorfismi nel MTHFR alterano la distribuzione tra i folati utilizzati per il DNA e quelli necessari per la rimetilazione della Omocisteina (Hcy). Lo stato nutrizionale materno e l’eventuale supplementazione con folati o altri donatori di gruppi metilici può quindi alterare lo stato di metilazione del DNA nell’embrione. Tale azione sul genoma embrionale avrà conseguenze per tutta la vita dell’individuo.

Variazioni dietetiche, metilazione del DNA e variazioni nell’espressione genicaVariazioni dietetiche, metilazione del DNA e variazioni nell’espressione genica

Carenza in micronutrienti, danno al DNA e rimodulazione delle RDACarenza in micronutrienti, danno al DNA e rimodulazione delle RDA

carenze marginali in folato, vitamina B12,

niacina e zinco

carenze marginali in folato, vitamina B12,

niacina e zinco

antiossidanti quali vit. C, vit.E e carotenoidi

 

antiossidanti quali vit. C, vit.E e carotenoidi

 

possono influenzare la stabilità del genoma

possono influenzare la stabilità del genoma

svolgono un’azione protettiva nei confronti di danni ossidativi a carico

delle macromolecole biologiche.

svolgono un’azione protettiva nei confronti di danni ossidativi a carico

delle macromolecole biologiche.

La validazione degli effetti protettivi di questi micronutrienti potrà indicare  gli intakes raccomandati non solo per la popolazione in generale,  ma anche per particolari gruppi di popolazione per i quali i livelli necessari a garantire uno stato di salute non potrebbero essere raggiungibili attraverso la sola dieta.

provoca rottura del cromosoma per incorporazione di uracile nel DNA (fino a milioni uracile/cellula).

Carenza in micronutrienti, danno al DNA e rimodulazione delle RDACarenza in micronutrienti, danno al DNA e rimodulazione delle RDA

Le carenze in micronutrienti sono in grado di spiegare perché circa ¼ della popolazione USA che consuma meno delle 5 porzioni raccomandate di frutta e verdura presenta una incidenza circa doppia di molti tipi di cancro, se confrontati con coloro che hanno intakes più alti.

Ad esempio una carenza delle vitamine B6,  B12, acido folico,  niacina, vit C, vit E,  rame e ferro

sembra mimare l’effetto di radiazioni nel danneggiamento del DNA, provocando interruzione del filamento, lesioni ossidative o entrambi.

sembra mimare l’effetto di radiazioni nel danneggiamento del DNA, provocando interruzione del filamento, lesioni ossidative o entrambi.

La carenza di folato

Carenza di micronutrienti e danno al DNA

Micronutriente

Percentuale nella popolazione USA

Danno al DNA Effetti sulla salute

Acido folico 10% Rottura cromosoma Cancro al colon, patologie cardiache, disfunzioni cerebrali

Vitamina B12 4% (< ½ RDA) non caratterizzato Cancro al colon, patologie cardiache, disfunzioni cerebrali, danno neuronale

Vitamina B6 10 % (< ½ RDA) non caratterizzato Cancro al colon, patologie cardiache, disfunzioni cerebrali.

Vitamina C 15% (< ½ RDA) ossidazione DNA Cataratta (x 4) , cancro

Vitamina E 20% (< ½ RDA) Radiazione-mimetico: ossidazione DNA

Cancro al colon (2), patologie cardiache (x 1,5) disfunzioni immunitarie

Ferro 7% (< ½ RDA)19% donne 15-50 anni

Rottura DNA, Radiazione-mimetico

Disfunzioni immunitarie e al cervello; cancro

Zinco 18% (< ½ RDA) Rottura cromosoma, radiazione-mimetico

Disfunzioni immunitarie e al cervello; cancro

Niacina 2% (< ½ RDA) Incapacità riparare DNA Sintomi neurologici, perdita di memoria

Fintanto che i nutrienti sono ingeriti regolarmente, partecipano direttamente od indirettamente al processo di regolazione dell’espressione, conseguentemente i geni regolati dalla dieta possono essere coinvolti nel processo di iniziazione, progressione e gravità della patologia

Ad esempio la quantità di angiotensinogeno ANG circolante è associata con l’aumento della pressione sanguigna. Un SNP chiamato AA, in posizione del nucleotide 6 del gene per ANG è legato ai livelli di angiotensinogeno. Individui con il genotipo AA che seguono la dieta DASH mostrano una riduzione sensibile della pressione sistolica ma la stessa dieta è meno efficace nel ridurre la pressione in individui con un genotipo GG.

LA DIETA PUÒ RAPPRESENTARE UN FATTORE DI RISCHIO PER MALATTIE LA DIETA PUÒ RAPPRESENTARE UN FATTORE DI RISCHIO PER MALATTIE

LA DIETA PUÒ RAPPRESENTARE UN FATTORE DI RISCHIO PER MALATTIE LA DIETA PUÒ RAPPRESENTARE UN FATTORE DI RISCHIO PER MALATTIE

Diabete tipo II tipico in pazienti obesi e/o sedentariDiabete tipo II tipico in pazienti obesi e/o sedentari

Cambiamenti nelle variabili ambientaliCambiamenti nelle variabili ambientali

Attività fisica Intake calorico consumo grassi Attività fisica Intake calorico consumo grassi

Controllo dell’espressione del genoma

Controllo dell’espressione del genoma

Miglioramento quadro

patologico

Individuo sensibile

Trattamento

famacologico

Individuo non sensibileSISI NONO

INTERAZIONE TRA NUTRIZIONE E GENOMAINTERAZIONE TRA NUTRIZIONE E GENOMA

ESPRESSIONE DEI GENI

&RISPOSTE

METABOLICHE

ESPRESSIONE DEI GENI

&RISPOSTE

METABOLICHE

Stato di salute/malattiaStato di salute/malattia

Intake dieteticoIntake

dietetico

Fattori ambientali

Fattori ambientali GenomaGenoma

Fabbisogni nutrizionaliFabbisogni nutrizionali

CONCLUSIONICONCLUSIONI

Variazioni genetiche individuali possono influenzare il modo con cui un nutriente può essere assimilato, metabolizzato, conservato ed escreto. La possibilità di comprendere le interazioni nutrienti-genoma consentirà quindi di: • sviluppare una dietetica personalizzata• influenzare le raccomandazioni dietetiche• definire le strategie di politica nutrizionale

Dieta personale costruita a misura Dieta personale costruita a misura sul proprio profilo genetico, anche sul proprio profilo genetico, anche per l’assunzione di vitamine che per l’assunzione di vitamine che saranno dosate su misurasaranno dosate su misura

L’effetto della dieta in base al L’effetto della dieta in base al proprio genotipo, in modo che sia proprio genotipo, in modo che sia efficaceefficace