Nutrigenomica - di Simona D'Amore. 20 giugno 2012. Corso di formazione "valore nutrizionale e salutistico di prodotti agroalimentari” - Università degli studi di Bari.
2. LA RIVOLUZIONE GENETICA
Il genoma umano codifica per circa 30000 geni ed è
responsabile della produzione di più di 100000 proteine
La rivoluzione genetica e le «omiche» associate hanno
fornito nuove prospettive nel campo della salute, in
particolare sul ruolo della nutrizione nella prevenzione
delle malattie
3. LE «OMICHE»
GENOMICA: cosa potrebbe accadere
TRANSCRITTOMICA: cosa appare accadere
PROTEOMICA: cosa accade
METABOLOMICA: cosa è accaduto
5. NUTRIGENOMICA
DEFINIZIONE
Scienza che studia le interazioni tra geni e nutrienti
I nutrienti presenti nel cibo possono infatti regolare e/o alterare
l’espressione e/o la struttura dei geni, oppure possono agire in
maniera differente sui vari individui a seconda del loro patrimonio
genetico
OBIETTIVI
Identificare targets per interventi nutrizionali
Personalizzare gli approcci nutrizionali, distinguendo i
responders dai non responders
6. NUTRIGENOMICA
BASI SU CUI SI FONDA LA NUTRIGENOMICA
I nutrienti alimentari possono interagire con il genoma umano, sia
direttamente che indirettamente, alterando l’espressione dei geni e
dei prodotti genici
La dieta ed i nutrienti presenti nel cibo possono modificare il rischio
di sviluppare una malattia mediante la modulazione di molteplici
processi coinvolti nell’insorgenza, incidenza, progressione e/o
severità di malattia
La dieta può potenzialmente compensare o accentuare gli effetti dei
polimorfismi genetici
Le conseguenze di una dieta sono dipendenti dall’equilibrio tra stato
di salute/malattia e background genetico individuale
7. NUTRIGENOMICA
NUTRIENTI ESSENZIALI E NON ESSENZIALI
Nutrienti essenziali calcio, zinco, selenio,
folato, vitamine C ed E
Nutrienti non essenziali e carotenoidi, flavonoidi,
componenti bioattivi isotiocianato, acido
linoleico, omega-3
9. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA INDIVIDUALE AI NUTRIENTI
I geni possono presentano polimorfismi
Alcuni di questi polimorfismi possono influenzare la funzione
delle proteine e le loro interazioni con altre proteine o substrati
Nel 1999 sono stati indentificati alcuni polimorfismi genici per lo
screening di malattie come il gene HFE (emocromatosi ereditaria),
l’allele E4 del gene APOE (malattia di Alzheimer)
Sebbene singoli polimorfismi nucleotidici (SNPs) siano coinvolti
in alcune condizioni patologiche, il fenotipo predominante
dipende dall’interazione tra geni e fattori
ambientali/comportamentali
10. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA INDIVIDUALE AI NUTRIENTI
Nell’uomo sono stati identificati circa 3 milioni di SNPs che
rappresentano potenziali siti che introducono variabilità
individuale
Non tutti gli SNPs influenzano direttamente la qualità e/o la
quantità di geni prodotti
Alcune differenze nella risposta ai componenti della dieta può
derivare da differenze genetiche individuali
11. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA GENETICA AI SINGOLI NUTRIENTI
ANGIOTENSINOGENO
Proteina epatica coinvolta nella regolazione del tono vascolare,
nel riassorbimento di sodio e nella regolazione della pressione
arteriosa
Un polimorfismo comune del gene dell’angiotensinogeno
codifica per la treonina (T) al posto della metionina (M) (residuo
235)
Hegele RA, Nutr Res, 1997
12. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA GENETICA AI SINGOLI NUTRIENTI
La relazione tra polimorfismi del gene dell’angiotensinogeno e
assunzione di fibre solubili e non solubili è stato valutato in uno
studio su 40 soggetti normotesi
Individui con genotipo TT dell’angiotensinogeno presentano una
riduzione nella pressione arteriosa a seguito dell’assunzione di
fibre non solubili rispetto all’assunzione di fibre solubili
I soggetti con genotipo TM o MM non presentano variazioni
significative in relazione al consumo di fibre
Le differenti risposte della pressione arteriosa all’assunzione di
fibre con la dieta dipende dalle differenze genetiche
interindividuali
Hegele RA, Nutr Res, 1997
13. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA GENETICA AI SINGOLI NUTRIENTI
SELENIO
Studi epidemiologici hanno dimostrato che il selenio ha un ruolo
nella riduzione dell’incidenza del cancro nell’uomo
Supplementazioni di selenio hanno dimostrato una efficacia nella
riduzione nell’incidenza del tumore del fegato, colon, prostata e
polmoni
Clark LC, JAMA, 1996
14. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA GENETICA AI SINGOLI NUTRIENTI
La glutatione perossidasi è un enzima selenio-dipendente che
agisce come enzima antiossidante
Un polimorfismo al codone 198 dell’enzima glutatione
perossidasi (sostituzione della leucina con la prolina), è stato
associato ad un aumento del rischio di tumore del polmone
Sembra che tale rischio sia correlato alla quantità di selenio
necessaria per ottimizzare l’attività enzimatica
Soggetti con una copia dell’allele per la leucina (prolina/leucina)
hanno un rischio di sviluppare tumore del polmone dell’80%, e
individui che presentano due copie (leucina/leucina) del 130%
maggiore quando confrontati con coloro che presentano il
genotipo prolina (prolina/prolina)
Hu YJ, Cancer Res, 2003
15. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA GENETICA AI SINGOLI NUTRIENTI
Risultati simili sono stati riportati anche per il tumore della
mammella, del collo, della colecisti e della pelle
E’ stato dimostrato che coloro che presentano la variante
codificante per la leucina hanno un enzima glutatione perossidasi
meno responsivo dopo supplementazione con selenio
Presentano una ridotta abilità nell’uso e metabolizzazione del
selenio a causa dell’assenza di variazione dell’attività della
glutatione perossidasi
Ichimura Y, J Urol, 2004; Hu YJ, Biol Trace Elem Res, 2003
16. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA GENETICA AI SINGOLI NUTRIENTI
CAFFEINA
Uno studio sul ruolo della caffeina come fattore di rischio per la
perdita di tessuto osseo nelle donne in post-menopausa ha
dimostrato che coloro che presentano una variante del recettore
della vitamina D (genotipo tt) e che presentano un apporto
giornaliero di caffeina superiore a 300 mg/die hanno una perdita
ossea maggiore rispetto alle donne con genotipo TT
I soggetti con genotipo tt meriterebbero strategie alternative,
come la modifica dell’apporto di calcio e vitamina D
Rapuri PB, Am J Clin Nutr, 2001
17. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA GENETICA AI SINGOLI NUTRIENTI
CALCIO
Polimorfismi del gene del recettore della vitamina D (VDR)
possono influenzare l’espressione delle funzioni della proteina
VDR
Alcuni polimorfismi di VDR, incluso Fok1, Bsm I e poly-A,
possono influenzare la risposta ai vari componenti dietetici e il
rischio di patologia
Il polimorfismo di VDR Fok1 (genotipo FF) riveste una grande
importanza nell’influenza degli effetti del calcio sul rischio di
tumore del colon
Ingles SA, Cancer Causes Control, 2001; Lowe LC, Eur J Cancer, 2005; Slattery ML, Int J Cancer, 2004
18. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA GENETICA AI SINGOLI NUTRIENTI
CALCIO
Sebbene il calcio e i grassi non influenzino il rischio di tumore
del colon in coloro che hanno il genotipo FF, una riduzione
dell’apporto di calcio è legato ad un aumento del rischio di tumore
del colon in coloro che hanno multiple copie dell’allele f (ff>Ff)
Gli individui con genotipo ff e dieta povera in calcio presentano
un rischio maggiore di tumore del colon
Ingles SA, Cancer Causes Control, 2001; Lowe LC, Eur J Cancer, 2005; Slattery ML, Int J Cancer, 2004
19. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA GENETICA AI SINGOLI NUTRIENTI
L’INDIVIDUAZIONE DI EVENTUALI POLIMORFISMI POTREBBE
COSTITUIRE UN UTILE BIOMARKER PER L’IDENTIFICAZIONE DI
COLORO CHE POSSONO GIOVARE DI UNA INTEGRAZIONE CON
NUTRIENTI
20. NUTRIGENOMICA
RISPOSTA GENETICA ALLA COMBINAZIONE DEI CIBI
Numerosi studi hanno messo in evidenza le importanti interazioni
che derivano dalla combinazione di cibi o di diverse componenti
nutrizionali
La combinazione di soia e tè appare maggiormente efficace,
rispetto al loro utilizzo singolarmente, nell’inibizione della crescita
neoplastica e nella metastatizzazione in modelli murini di tumore
prostatico dell’uomo
La combinazione di soia e di tè verde o nero ha un’azione
sinergica nella riduzione del PSA
Zhou J-R, J Nutr, 2003; Lyn-Cook BD, Nutr Cancer, 1999
21. NUTRIGENOMICA
EPIGENETICA E NUTRIZIONE
L’epigenetica è lo studio dei fattori che determinano cambiamenti
stabili ed ereditabili, ma reversibili, nell’espressione dei geni
senza cambiamenti nella sequenza originale del DNA
Una varietà di proteine regolatorie (DNA metiltransferasi, enzimi
modificanti gli istoni, fattori modellanti la cromatina) sono
coinvolte nei processi epigenetici
Ross SA, Ann N Y Acad Sci, 2003
22. NUTRIGENOMICA
EPIGENETICA E NUTRIZIONE
Il grado di metilazione può essere determinato dalla disponibilità
di donatori di metile, dell’attività della metil-transferasi e dalla
potenziale attività di demetilazione
L’ipometilazione del DNA è associata al tumore
Alcuni fattori dietetici possono influenzare la disponibilità di
gruppi metilici per la formazione di S-adenosil-metionina e
modificare l’attività della DNA metiltransferasi
Il grado di metilazione del DNA può influenzare la risposta ai
componenti bioattivi e avere un ruolo nella differente risposta
nelle cellule normali e neoplastiche
Poirier LA, Adv Exp Med Biol, 1986
24. NUTRIGENOMICA
EPIGENETICA E NUTRIZIONE
La supplementazione con colina, betaina, acido folico, vitamina
B12, metionina e zinco nella dieta materna porta ad un incremento
dei livelli di metilazione del DNA con modificazioni fenotipiche che
sembrano coincidere con una più bassa suscettibilità alla obesità,
diabete e cancro
Questi studi suggeriscono che l’esposizione in utero a fattori
dietetici non influenza solo lo sviluppo dell’embrione ma ha anche
effetti a lungo termine
Le modifiche epigenetiche possono regolare il ciclo cellulare,
danni del DNA, l’apoptosi, e l’invecchiamento
Conney CA, J Nutr, 2002
26. NUTRIGENOMICA
TECNOLOGIE MICROARRAY
Lo sviluppo della tecnologia microarray fornisce uno strumento
fondamentale per esaminare potenziali siti di azione dei
componenti alimentari e la loro interazione con i vari processi
cellulari
Il monitoraggio dell’espressione genica dell’intero genoma
mediante tecnologia microarray permette lo studio simultaneo di
migliaia di geni e della loro relativa espressione nelle cellule
normali e patologiche, prima e dopo esposizione a differenti
componenti alimentari
Queste informazioni potrebbero fornire le basi per la scoperta di
nuovi biomarkers per la diagnosi di malattia e la predizione della
prognosi
27. TECNOLOGIE MICROARRAY
Un microarray consiste di differenti sonde di acidi
nucleici che sono chimicamente attaccate ad un
substrato, che può essere:
un microchip
un vetrino
una microsfera
29. GE Beadchips
HumanRef-8
8 Parallel Arrays on the chip
Each Array has ~24,000 'high-quality' RefSeq derived probes
Approx 30 copies of each bead type
HumanWG-6 V1
6 Parallel Arrays on the chip, each consisting of 2 parallel strips
Strip 1 has the ~24,000 RefSeq derived probes
Strip 2 has ~24,000 other probes (some RefSeq derived)
Approx 30 copies of each bead type
HumanWG-6 V2, V3
6 Parallel Arrays on the chip, each consisting of 2 parallel strips
Each strip has ~48,000 probes
Approx 30 copies of each bead type
HumanHT-12
12 Parallel Arrays on the chip consisting of 1 strip
Each strip has ~48,000 probes*
Fewer copies (?~15) of each bead type
32. Effects of Lifestyle Changes, Diet & Physical
Exercise on gene expression of patients with
Prostate Cancer
Metabolic Changes Delta
Body mass index -2.6 kg/m2
(BMI)
Systolic BP -9.2 mmHg
Diastolic BP -5.4 mmHg
Total cholesterol -45.2 mg/dL
LDL cholesterol -34.2 mg/dL
HDL cholesterol -8.3 mg/dL
LDL/HDL ratio -0.4
Levels of Expression:
High Low Absent
Ornish, et al. PNAS 2008
33. DISEGNO DELLO STUDIO
P O P U L A T IO N
H E A LT H Y S U B JE C T S
6 F + 6 M
P H Y S IC A L A N D M E D IC A L E X A M IN A T IO N M ic r o a r r a y
A n a ly s is
C L IN IC A L P A R A M E T E R S
G E
B IO L O G IC A L M A R K E R S
I S T E P m iR N A
E P C
P a th w a y s
P B M C s IS O L A T IO N a n a l y s is
4 h o u r s a f t e r in t a k e o f lo w a n d
h ig h p h e n o l c o n t e n t V O O
( 5 0 m l)
M ic r o a r r a y
B IO L O G IC A L M A R K E R S A n a ly s is
E P C G E
II S T E P
P B M C s IS O L A T IO N m iR N A
P a th w a ys
a n a l y s is
35. NUTRIGENOMICA
OLIO DI OLIVA
Componente principale della Dieta
Mediterranea
Principale fonte di grassi della Dieta
Mediterranea
Alimento funzionale dotato di proprietà anti-
infiammatorie, anti-ossidanti ed anti-
trombotiche
Potenziale efficacia terapeutica:
sistema cardiovascolare;
metabolismo;
apparato epatobiliare ed intestinale;
sistema immunitario
36. NUTRIGENOMICA
COMPOSIZIONE DELL’OLIO DI OLIVA
98-99% componenti maggiori:
lipidi, soprattutto trigliceridi, ed in percentuale inferiore monogliceridi e
digliceridi
0.5-2% componenti minori:
alcoli, steroli, idrocarburi, tocoferoli, fenoli, sostanze volatili
37. NUTRIGENOMICA
COSTITUENTI MAGGIORI DELL’OLIO DI OLIVA
Acidi grassi insaturi (85%):
acido oleico: acido grasso monoinsaturo
(70-80% dei grassi totali)
acido linoleico (omega 6): acido grasso polinsaturo
(dal 4 al 12%)
Acidi grassi saturi (presenti in quantitativi minori):
acido palmitico (dal 7 al 15%)
acido stearico (dal 2 al 6%)
38. NUTRIGENOMICA
COSTITUENTI MINORI DELL’OLIO DI OLIVA
Idrocarburi (30-40%): squalene, in quantità inferiore β-carotene
Cere (minima quantità): alcoli alifatici e terpenici (cicloartenolo)
Alcoli (minima quantità): raggiungono elevati valori negli oli di sansa
Steroli (elevata quantità): composti simili al colesterolo sintetizzati a partire dallo squalene, sono
rappresentati soprattutto dal β-sitosterolo (94-97%), ed in quantità minore
dal campesterolo e stigmasterolo
Pigmenti colorati: carotenoidi e clorofilla
Vitamine liposolubili: protovitamina A, vitamina D e vitamina E (α-tocoferolo)
Composti fenolici (fenoli, tra i polifenoli, quello maggiormente rappresentato nel frutto è
acidi fenolici e polifenoli): l'oleuropeina.
39. NUTRIGENOMICA
PROPRIETA’ PROTETTIVE DELL’OLIO DI OLIVA
Fito M, Mol Nutr Food Res 2007; Paniagua JA, J Am Coll Nutr 2007; Perez-Jemenez F, Mol Nutr Food Res 2007
40. Cellule Mononucleate del Sangue
Periferico: PBMCs
Le cellule mononucleate del sangue periferico (PBMCs, peripheral
blood mononuclear cells) sono costituite da:
• monociti (2-10% dei globuli bianchi)
• linfociti (20-40% dei globuli bianchi)
Deputate alla difesa dell’organismo da infezioni, attacchi virali ed
elementi esterni
Fonte principale di cellule linfoidi
per lo studio del sistema immunitario
41. PBMCs ed ATEROSCLEROSI
• In condizioni normali i leucociti
circolanti non aderiscono all’endotelio
• L’infiammazione dell’endotelio porta
all’espressione di molecole di adesione
che legano I leucociti
• Le selectine mediano l’interazione tra
leucociti e cellule endoteliali attivate
• Le integrine mediano l’attacco
• Le chemochine espresse dall’ateroma
forniscono uno stimolo chemotattico ai
leucociti, determinando la loro
diapedesi e migrazione a livello intimale
42. Cellule Mononucleate del Sangue
Periferico: PBMCs
I PBMCs mostrano profili di espressione genica relativamente
costanti e ripetibili nei diversi individui
Nel loro profilo di espressione genica sono stati evidenziati
centinaia di geni coinvolti in diverse pathways biologiche:
regolazione della pressione arteriosa, obesità, metabolismo
Rappresentano un modello utile per lo studio della biologia del
sistema cardiovascolare (rischio cardiovascolare), dello stato
di salute e della risposta terapeutica
Visvikis-Siest, S Clin. Chem. Lab. Med. 45, 1154-1168 (2007)
43. RISULTATI PRELIMINARI (1)
Media±SEM
Età 29.2±0.6
BMI 22.6±0.5
Circonf. Add 86.3±2.4
PAS 113.8±2.8
PAD 71.7±1.7
Fc 72.8±1.2
Col. Tot 184.9±9.5
HDL 63.8±3.9
LDL 103.0±8.1
TG 60.1±6.9
GLC 84.9±1.5
Insulinemia 7.4±0.8
HOMA 1.5±0.2
AST 20.7±2.4
ALT 32.7±2.2
GGT 22.1±1.6
RCV 0±0
An example of dietary strategy to modulate cellular processes associated with cancer metabolism is a recent study published by Ornish. This study indicate that lifestyle changes may modify the progression of prostate cancer. He conducted a pilot study to examine changes in prostate gene expression in a population of men with low-risk prostate cancer who declined immediate surgery, hormonal therapy, or radiation and participated in an intensive nutrition and lifestyle intervention while undergoing careful surveillance for tumor progression. A significant improvements in weight, abdominal obesity, blood pressure, and lipid profile were observed and surveillance of low-risk patients was safe. Gene expression profiles were obtained from 30 participants. The analysis of microarrays detected 48 up-regulated and 453 down-regulated transcripts after the intervention. Pathway analysis identified significant modulation of biological processes that have critical roles in tumorigenesis, including protein metabolism and modification, intracellular protein traffic, and protein phosphorylation.