LA NUTRIGENOMICA STUDIA L’INTERAZIONE DEI NUTRIENTI COL GENOMA UMANO Interazione genoma/fattori ambientali fenotipo

errori del metabolismo La SCIENZA DELLA NUTRIZIONE ha lo scopo di capire il ruolo dei nutrienti e di altri componenti della dieta nello stato di salute o malattia dell’uomo lungo tutto il ciclo di vita. 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

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.

NUTRIGENOMICA 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.

Concetti base della nutrigenomica I nutrienti possono avere un effetto diretto e indiretto sull’espressione genica.

Concetti base della nutrigenomica 1-ligandi per fattori di trascrizione Dietary chemicals 2-Alterazione [ substrati-intermedi ] 3-influenza +/- sulle vie di trasduzione del segnale ESPRESSIONE GENICA

Concetti base della nutrigenomica Esempi di fattori di trascrizione sensibili ai nutrienti Nutrienti Composti Fattori di trascrizione Grassi Acidi grassi Colesterolo PPARs: recettori per fattori di trascrizione legati al metabolismo cellulare; SREBP: sterol regulatory element binding transcription factor 1 Carboidrati Glucosio SREBPs Vitamine Vitamina A Vitamina E Retinoic X Receptor: RXR Pregnane X Receptor:PXR Non nutrienti Flavonoidi Nuclear Factor –kB: fattore di trascrizione

Concetti base della nutrigenomica FFA PPAR α/β/γ Influenza espressione genica

L’importanza della Dieta Controllo attraverso una dieta adeguata Influenza dieta in malattie causate da una singola mutazione Emocromatosi PKU Galattosemia Controllo attraverso una dieta adeguata

Dieta come fattore di rischio Esempi di ridotto intake di specifici micronutrienti Vitamine B, E, Carotenoidi CVD Cancro Folati e carotenoidi Folati Difetti del tubo neurale B6, 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 DMT2 Controllo dei sintomi: dieta ed attività fisica Individui refrattari: trattamento farmacologico Il rimodellamento della cromatina o metilazione del DNA indotti da dieta sbilanciata contribuiscono all’irreversibilità della mutazione genica

Concetti base della nutrigenomica APPROCCIO GENETICO TARGET IDENTIFICARE I GENI DELLE MALATTIE CRONICHE DIFFICOLTA’ Popolazioni campionabili limitate Gruppi di controllo campionati in modo insufficiente Stratificazione della popolazione

GENOMICA NUTRIZIONALE 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. NUTRIZIONE UMANA GENOMICA GENOMICA NUTRIZIONALE BIOCHIMICA

1 2 3 4 5 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. 1 2 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. 3 L'entità dell'influenza esercitata dalla dieta nell'equilibrio tra stato di salute e malattia, può dipendere dalla predisposizione genetica individuale. 4 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). 5

avere un elevato valore predittivo per la prevenzione di malattie OBIETTIVI 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.

Interazioni tra alleli 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. Nutrienti Componenti dietetici fabbisogni Variazione genetica 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. Aplotipi Interazione tra geni Interazioni tra alleli + - malattia La comprensione delle interrelazioni tra diversità genetica umana, funzione del genoma e componenti dietetici consentirà di migliorare la salute umana e prevenire le malattie

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 fissazione di nuove mutazioni all’interno del genoma

Quindi si sviluppano risposte genomiche adattative a livello di trascrizione, traduzione e stabilità delle proteine a 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

Segnali di trasduzione Normale crescita cellulare MECCANISMO D’AZIONE DEI NUTRIENTI dieta 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. nutrienti metabolismo Segnali di trasduzione Espressione dei geni Normale crescita cellulare

Esempio di ligandi per recettori nucleari 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 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 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.

POLIMORFISMO DI UN SINGOLO NUCLEOTIDE La variazione genetica interindividuale è un determinante critico per la definizione dei fabbisogni di nutrienti. 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 entrambi L’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 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 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.

Via metabolica normale 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). Allele normale Via metabolica normale codifica Enzima Accumulo di folato A222V Enzima modificato Rischio tubo neurale rimetilazione Hcy codifica Iper-Hcy Ipo-Hcy Dieta ricca in folati

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.

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

Carenza in micronutrienti, danno al DNA e rimodulazione delle RDA carenze marginali in folato, vitamina B12, niacina e zinco possono influenzare la stabilità del genoma antiossidanti quali vit. C, vit.E e carotenoidi   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.

Carenza in micronutrienti, danno al DNA e rimodulazione delle RDA 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. provoca rottura del cromosoma per incorporazione di uracile nel DNA (fino a milioni uracile/cellula). La carenza di folato 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.

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

LA DIETA PUÒ RAPPRESENTARE UN FATTORE DI RISCHIO PER MALATTIE 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.

Diabete tipo II tipico in pazienti obesi e/o sedentari LA DIETA PUÒ RAPPRESENTARE UN FATTORE DI RISCHIO PER MALATTIE Diabete tipo II tipico in pazienti obesi e/o sedentari Cambiamenti nelle variabili ambientali  Attività fisica  Intake calorico  consumo grassi Controllo dell’espressione del genoma Miglioramento quadro patologico Individuo sensibile Trattamento famacologico Individuo non sensibile SI NO

Stato di salute/malattia Fabbisogni nutrizionali INTERAZIONE TRA NUTRIZIONE E GENOMA ESPRESSIONE DEI GENI & RISPOSTE METABOLICHE Stato di salute/malattia Intake dietetico Fattori ambientali Genoma Fabbisogni nutrizionali

L’integrazione della genomica con la scienza della nutrizione ha iniziato a chiarire la complessità delle risposte genomiche in risposta ai nutrienti presenti nella dieta, offrendo l’opportunità di aumentare l’efficacia di interventi nutrizionali sia a livello individuale (trattamento dietoterapico) che di popolazione (raccomandazioni differenziate). La genomica nutrizionale rappresenta una sfida per comprendere nel dettaglio molecolare le reciproche e complesse interazioni tra il genoma umano, incluse le variazioni in esso contenute, e i componenti della dieta in condizioni normali o patofisiologiche.

sviluppare una dietetica personalizzata CONCLUSIONI 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

Eat right for your genotype First it was smart drugs. Now it's smart diets. what your genes want you to eat

Dieta personale costruita a misura sul proprio profilo genetico, anche per l’assunzione di vitamine che saranno dosate su misura L’effetto della dieta in base al proprio genotipo, in modo che sia efficace