Nutrigenomika

Jednostka prowadząca

Katedra Biochemii i Chemii Klinicznej, Zakład

Farmakogenomiki, Wydział Farmaceutyczny

Warszawski Uniwersytet Medyczny

Genomika

• Badanie genomu czyli „bazy” genetycznej organizmu

• Badanie oddziaływań genom-środowisko

• W oparciu o nowoczesne narzędzia badawcze

Nutrigenomika

Badanie wpływu diety (jej składników)

na:

- budowę kwasów nukleinowych i

strukturę genomu

- działanie (aktywność) genów oraz efekt

tej aktywności (przebieg procesów

metabolicznych, rozwój i działanie

organizmu, zdrowie)

Wiele lat p.n.e. Hipokrates pisał:

„...zachowanie zdrowia wymaga

poznania natury człowieka

(uwarunkowań genetycznych)

...oraz zrozumienia wpływu

żywności, zarówno tej naturalnej,

jak i przygotowanej ...

nie należy również zapominać o

ćwiczeniach...”

„Prawidłowe żywienie warunkuje pełne wykorzystanie potencjalnych, genetycznie uwarunkowanych

możliwości optymalnego rozwoju fizycznego i umysłowego człowieka oraz

zapewnia zachowanie homeostazy ustrojowej”

„Prawidłowe żywienie warunkuje pełne wykorzystanie potencjalnych, genetycznie uwarunkowanych

możliwości optymalnego rozwoju fizycznego i umysłowego człowieka oraz

zapewnia zachowanie homeostazy ustrojowej”

ŚWIATOWA ORGANIZACJA ZDROWIA

Dieta

Zróżnicowanie odpowiedzi

- Wyjaśnienie przyczyn

- Wyjaśnienie wpływu na zdrowie

- Jak ustalać zalecenia indywidualne

ZMIENNOŚĆ ODPOWIEDZI NA DIETĘ

Zmienność odpowiedzi ma dwa źródła:

• Zmienność wynikająca z różnego genotypu osobników

populacji

• Zmienność u osób z tym samym genotypem zależna od:

zewnętrznych czynników środowiskowych

rożnego rodzaju czynników endogennych

Dieta → Zdrowie

• Efekt bezpośredni

• Efekt pośredni poprzez

interakcje z genomem

GENY BIAŁKA METABOLIZM

SKŁADNIKI ŻYWNOŚCI

Nutrigenomika- analizuje wpływ

składników diety na genom

Genomika, transkryptomika, proteomika,

metabolomika - nowe kierunki badania wpływu

żywności na procesy molekularne organizmu.

Genom

modyfikacje

potranslacyjne transkrypcja translacja

Proteom Transkryptom

RNA DNA białka

funkcjonalne

białka

zmodyfikowane białka

Nurigenomika

• Wpływ składników diety na stabilność

genomu komórek somatycznych i

rozrodczych

• Wpływ składników diety na ekspresję

genów

• Formy polimorficzne genów a

odpowiedź metaboliczna organizmu na

składniki diety

GEN

• Odcinek DNA kodujący informacje

dotycząca powstawania w komórce

określonego produktu – głównie białka

Nucleotide

O

O=P-O

O

Phosphate

Group

N Nitrogenous base

CH2

O

C1 C4

C3 C2

5

Sugar

(pentose)

Kwasy nukleinowe

Zasady

• Puryny

adenina (A) - DNA, RNA

guanina (G) - DNA, RNA

• Pirymidyny

cytozyna (C) – DNA, RNA

tymina (T) - DNA

uracyl (U) - RNA

Nukleotydy

• Wszystkie istoty żywe, z wyjątkiem

pasożytniczych pierwotniaków,

syntetyzują nukleotydy purynowe i

pirymidynowe

DNA by the numbers

• Each cell has about 2

m of DNA.

• The average human

has 75 trillion cells.

• The average human

has enough DNA to

go from the earth to

the sun more than 400

times.

• DNA has a diameter of

only 0.000000002 m.

The earth is 150 billion m

or 93 million miles from

the sun.

Chromosomy w jądrze

zbudowane są z

chromatyny a ta składa

się ze struktur zwanych

nukleosomami.

Nukleosom zbudowany

jest z kompleksu DNA z

białkami zasadowymi

(histonami).

Kwasy nukleinowe

• Przechowywanie

• Przekazywanie

• Przenoszenie

• Informacji niezbędnej do syntezy białek

DNA

• Przechowywanie informacji genetycznej

• Przekazywanie informacji komórkom

potomnym

RNA

• Wykorzystanie informacji genetycznej przez

komórkę

– przenoszenie z miejsca jej przechowywania

do miejsca jej wykorzystania

RNA • m-RNA – matrycowy RNA

- matryca do syntezy białek na rybosomach

- matryca genetyczna utworzona na bazie DNA,

przenosi informację genetyczną

• t-RNA – transpostujący RNA

- transport aminikwasów do syntezy peptydów,

białek

• r-RNA – rybosomalny RNA

- element strukturalny rybosomów

• microRNA – regulator ekspresji genów

Mutacje

• Zmiany w strukturze DNA

- zmiany w ułożeniu nukleotydów

- zastępowanie jednych nukleotydów przez

inne

- dodawanie nowych nukleotydów

- wycinanie nukleotydów

Punktowe mutacje genowe

5’- TTC GAT GAG CCC TTG

Phe Asp Glu Pro Leu

↓ mutacja G→A

5’ – TTC GAT AAG CCC TTG

Phe Asp Lys Pro Leu

DNA Mutation

Additions

Deletions

Normal gene

Single base change

DNA

C

T

A G C G A A C T A C

A G G C G C T A A C A C T

A G C T A A C T A C

A G A A C T A C

•Odmienna kolejność ułożenia

aminokwasów

- zmieniona struktura białka

- wpływa na jego funkcję

Polimorfizm

• Mutacje które często występujące

w populacji

• Częstość powyżej 1%

• Formy polimorficzne genu

Allele

• Allel – jedna z wersji genu obecna

określonym miejscu (tzw. locus genowe) na

danym chromosomie homologicznym

• W komórce somatycznej każdy gen

występuje w postaci dwóch alleli

• Układ alleli

- homozygotyczny

- heterozygotyczny

Duplicated/Replicated Chromosomes

Sister Chromatids

Polimorfizm

Konwencja zapisu polimorfizmu SNP

• Zapis na poziomie DNA

– uwzględnia zmianę nukleotydów

• Zapis na poziomie białka

- uwzględnia efekt zmiany

nukleotydów na poziomie aminokwasów

• Zapis w bazie SNP

- rs NUMER

Polimorfizm

Konwencja zapisu polimorfizmu SNP

• Zapis na poziomie DNA

np. C3435T w pozycji 3435 doszło do

zamiany cytozyny (C) na tyminę (T)

G85A w pozycji 85 doszło do zamiany

guaniny (G) na adeninę (A)

Polimorfizm

• Konwencja zapisu polimorfizmu SNP

• Zapis na poziomie DNA

C3435T = 3435C>T = 3435C/T

Polimorfizm

Konwencja zapisu polimorfizmu SNP

• na poziomie DNA

77A>G (77A/G, A77G)

• na poziomie białka

Gln26Arg = Q26R

• w bazie SNP

rs3737965

Polimorfizm

Zapis polimorfizmu SNP

Enzymy cytochromu P450

• cytochrom P450 2D6

• gen CYP2D6

• formy polimorficzne genu

– allele *1A *1B *2A *2B

CYP2D6*1A

Ekspresja genów

- odczytywanie informacji genetycznej

zakodowanej w genomie i przepisywanie jej

na białka.

.

Ekspresja genów- czyli wytwarzanie produktu

genu w postaci białka zakodowanego w

określonej sekwencji nukleotydów. Obejmuje

dwa etapy: transkrypcję i translację.

Ekspresja genu- wytworzenie białka na podstawie informacji zakodowanej w określonej sekwencji nukleotydów (czyli fragmencie DNA). Składa się z :

• transkrypcji- przepisanie informacji genetycznej z DNA na mRNA (synteza mRNA)

• translacji- przeniesienia informacji genetycznej z mRNA na białko (synteza białka)

• modyfikacji post- transkrypcyjnych

DNA

transkrypcja

mRNA

translacja

białko

Bioaktywne

elementy diety

DNA

CH3-DNA

RNA Białka

Epigenomika

Genomika Genetyka Proteomika

Genotyp - Fenotyp

DNA → RNA → BIAŁKO

• Informacja genetyczna jest zakodowana jako

sekwencja nukleotydów

• Genotyp jest baza dla powstania fenotypu

• Fenotyp jest kreowany przez białka (i inne

czynniki, w tym czynniki środowiskowe)

Dieta - Genotyp - Fenotyp

DIETA GENOTYP

ZDROWIE FENOTYP

CHOROBA

Nutrigenomika

• Łączy interakcje między zmiennością w

sekwencji DNA, zmianami

epigenetycznymi i ekspresją genów

• Takie interakcje mogą wpływać nie tylko

na stopień (zakres), ale także na

kierunek odpowiedzi organizmu na

składniki diety

GENY

ROZWÓJ CHORÓB WIELOGENOWYCH

•Choroby układu krążenia

•Cukrzyca

•Otyłość

•Osteoporoza

•Nowotwory

•Choroby immunologiczne

•Inne

CZYNNIKI ŚRODOWISKOWE

• Wykorzystywanie danych naukowych w

zakresie nutrigenomiki w praktyce

dietetycznej

• Działalność firm proponujących

opracowanie diety w oparciu o badania

form polimorficznych wybranych

genów

48

Choroby nutrigenetyczne

• Fruktozemia

• Galaktozemia

• Celiakia

• Hipolaktazja

dr n. farm. Małgorzata Wrzosek 49

Fruktozemia

• wywołana mutacjami w obrębie genu

ALDOB kodującego aldolazę B

50

Fruktozemia

• Wrodzona nietolerancją fruktozy

1:40 000

• choroba genetyczna o dziedziczeniu

autosomalnym recesywnym

• Gen aldolazy B fruktozo-1-fosforanu na

chromosomie 9q12-32

• Mutacje to A146P (67%) i A174D (16%)

51

Fruktozemia A149P

• Najczęstszą mutacją w ALDOB w populacji

Polski jest A146P (czyli zmiana nukleotydów

G>C)

powodująca zmianę A – alaniny w pozycji 149

białka ALDOB na P – prolinę w aldolazie

frukozo-1-fosforanowej

• Obecnie badanie genetyczne wykonywane w pracowniach w celu

diagnostyki dla potrzeb klinicznych obejmuje analizę występowania

mutacji A149P metodą sekwencjonowania

52

Galaktozemia (GAL - częstość

1/40 000 urodzeń)

• Mutacja genu urydylo-transferazy galaktozo-1-fosforanowej (GALT)

• Q188R – podstawienie glutaminy w miejsce argininy zmieniające sens odczytu

53

Nietolerancja laktozy

U podstaw nietolerancji laktozy leżą uwarunkowanie genetyczne

głownie związane z polimorfizmem C/T 13910 w promotorze genu

LCT kodującego laktazę

Polimorfizm ten ma związek z wysokim ryzykiem ujawnienia się

nietolerancji laktozy ze względu na obniżoną aktywność enzymu

54

Nietolerancja laktozy

Prawdopodobnie w Polsce nietolerancja laktozy może dotyczyć

ponad 30% populacji

Problem ten wymaga udokumentowania poprzez określenie częstości

allela C u Polaków

55

Test przeznaczony jest dla osób:

u których po spożyciu produktów mlecznych występują: wzdęcia,

biegunki, gazy, wymioty, bóle brzucha i skurcze jelit,

u których występuje uczucie ciągłego zmęczenia oraz częste bóle głowy

u których istnieje podejrzenie alergii pokarmowych, zespołu jelita

wrażliwego

u których ktoś z rodziny cierpi na nietolerancję laktozy

Badanie DNA na nietolerancję

laktozy u dorosłych

(hipolaktazję)

WSKAZANIA

Celiakia

56

• Wśród genów odgrywających kluczową rolę

w rozwoju celiakii znajdują się allele II klasy układu

HLA kodujące antygeny HLA-DQ2 lub HLA-DQ8.

Celiakia

Obecność antygenów HLA-DQ2 lub HLA-DQ8 na komórkach układu odpornościowego wywołuje nadmierną odpowiedź immunologiczną na rozpuszczalną w wodzie frakcję glutenu – gliadynę

57

Celiakia

58

U 96 % pacjentów z chorobą trzewną stwierdza się obecność

haplotypu DQ2 i/lub DQ8.

Wykrycie jednego z dwóch alleli tworzących HLA-DQ2

(DQA1*05 lub DQB1*02) oznacza, że dana osoba jest

nosicielem genu predysponującego do celiakii

Szacuje się, że haplotypy DQ2 lub DQ8 występują u ok. 30%

populacji ogólnej, co oznacza, iż nosiciele tych wariantów

genetycznych znajdują się w grupie ryzyka

Fenyloketonuria (PKU)

• genetycznie uwarunkowana choroba

metaboliczną dziedziczącą się w sposób

autosomalny recesywny.

• Częstość około 1 na 6-8 tysięcy urodzeń.

• Przyczyna - mutacje w genie kodującym

enzym – hydroksylazę fenyloalaninową

(PAH)

59

Fenyloketonuria - diagnostyka

• stężenia fenyloalaniny we krwi

• 4 najczęstsze mutacje: R408W (59,3%),

R158Q (3,4%), IVS10 – c.1066-11g-a

(5%), IVS12 – c.1315+1g-a (3,9%)

stanowiące łącznie ok. 72% wszystkich

mutacji.

60

• Dodatkowo, sekwencjonowanie eksonu 7 pozwala

wykryć mutacje R262Q, G272X, R252W, P281L

stanowiące łącznie 4,5% ogółu mutacji

• W łagodnej fenyloketonurii zakres badanych mutacji

obejmuje: R408W, E390G, Y414C, A104D, R241H,

IVS10, R261Q, V388M, R68G, R68S, I95F. Mutacje te

stanowią ok. 84% mutacji stwierdzanych w populacji

polskiej u chorych z łagodną postacią PKU.

• W przypadku łagodnej hyperfenyloalaninemii badanie

polega na sekwencjonowaniu eksonu 8, 9 i 12 co

obejmuje blisko 70% mutacji

61

Jest to uwarunkowana genetycznie choroba będąca skutkiem mutacji w genie G6PD zlokalizowanym na chromosomie X co prowadzi do niedoboru enzymu dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej. Dziedziczy się w sposób związany z płcią (z

chromosomem X). Anomalia przenoszona jest z matki na syna, zawsze chory będzie mężczyzna

FAWIZM

niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej G6PD

W erytrocytach niedobór NADPH wpływa na skrócenie czasu przeżycia tych krwinek, może prowadzić do niedokrwistości hemolitycznej.

G6PD

NADPH

64

Szlak pentozofosforanowy

•kluczowy dla powstawania podstawowego,

komórkowego czynnika redukującego czyli NADPH

dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowej

NADPH

65

Niedobór dehydrogenazy

glukozo-6-fosforanowej

Nniedobór enzymu prowadzi do

• utleniania grup sulfohydrylowych hemoglobiny i

białek błony erytrocytu,

• precypitacji Hb w cytoplazmie w postaci ciałek

Heinza i do wewnątrznaczyniowej hemolizy

U ludzi z genetycznie uwarunkowanym

niedoborem enzymu związki obecne m.in. w

bobie, bobiku czy fasoli wywołują fawizm

(chorobę fasolową).

Są to:

substancje roślinne o budowie glikozydowej

m.in. wicyna, konwicyna oraz ich toksyczne

aglikony : diwicyna i izouramil.

FAWIZM