1. NUTRIGENOMICA

• LA NUTRIGENOMICA STUDIA LINTERAZIONE DEI NUTRIENTI COL GENOMA UMANO

fenotipo Interazione genoma/fattori ambientali

2. La SCIENZA DELLA NUTRIZIONE conoscenze di base (caratterizzazione dei nutrienti, biochimica e fisiologia del loro metabolismo, delle vie di segnale e del loro ruolo nellomeostasi) 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 nutrienti e di altri componenti della dieta nello stato di salute o malattia delluomo lungo tutto il ciclo di vita.

3. Oggi si fatta avanti lipotesi secondo la quale le patologie croniche sono provocate da un insieme di varianti genetiche che contribuiscono allo sviluppo della malattia. La complessit di queste interazioni genetiche ha reso difficile per gli studi di epidemiologia molecolare localizzare i geni associati alle malattie croniche.

4. NUTRIGENOMICA

• Studio delle basi molecolari sullinterazione tra i componenti individuali del cibo da una parte e il genoma e il metabolismo del singolo individuo dallaltra.

5.

• I nutrienti possono avere un effetto diretto e indiretto sullespressione genica.

Concetti base della nutrigenomica

6. 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

7.

• Esempi di fattori di trascrizione sensibili ai nutrienti

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

8. Concetti base della nutrigenomica FFA PPAR / / Influenza espressione genica

9. Limportanza della Dieta Influenza dieta in malattie causate da una singola mutazione Emocromatosi PKU Galattosemia Controllo attraverso una dieta adeguata

10. 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 neurale B 6 , B 12 e folati Iperomocisteinemia

11. 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 attivit del CYP1A2 aumenta il rischio di carcinogenesi (Lang et al.; Vineas & Mc-Micheal, 1996)

12. Concetti base della nutrigenomica Paradigma INTERAZIONE DIETA-GENOTIPO Controllo dei sintomi: dieta ed attivit fisica Individui refrattari: trattamento farmacologico Il rimodellamento della cromatina o metilazione del DNA indotti da dieta sbilanciata contribuiscono allirreversibilit della mutazione genica DMT2

13. 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

14. La NUTRIGENOMICA lapplicazione 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

15. 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 pu 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 gravit di patologie croniche. L'entit dell'influenza esercitata dalla dieta nell'equilibrio tra stato di salute e malattia, pu 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). 1 2 3 4 5

16. 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.

• Lidentificazione degli alleli coinvolti in malattie complesse quali obesit, diabete, ipertensione ecc., consentir di progettare interventi dietetici volti a prevenire e/o trattare i fenotipi di queste patologie .

17. RECIPROCHE INTERAZIONI TRA NUTRIZIONE E GENOMA Le variazioni genetiche esistenti allinterno 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 malattia Aplotipi Interazione tra geni Interazioni tra alleli La comprensione delle interrelazioni tra diversit genetica umana, funzione del genoma e componenti dietetici consentir di migliorare la salute umana e prevenire le malattie La nutrizione probabilmente ha rappresentato il fattore ambientale pi 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. + -

18. Singoli componenti dietetici possono influenzare la velocit di mutazione genica. I nutrienti possono influenzare anche la vitalit del feto e modificare la penetranza di mutazioni deleterie: la nutrizione in utero del feto pu essere considerata la pressione selettiva che contribuisce alla fissazione di nuove mutazioni allinterno del genoma

19. Quindi si sviluppano risposte genomiche adattative a livello di trascrizione, traduzione e stabilit delle proteine a seguito delle condizioni dellambiente nutrizionale

• regolare la velocit e la quota di trasporto dei nutrienti

• regolare lo stato nutrizionale

• modificare le capacit di accumulo dei nutrienti

• modificare ladattamento fine del flusso di intermedi attraverso i punti di incrocio delle vie metaboliche

• ristrutturare la trascrizione (transcriptoma) e la produzione di proteine (proteoma)

• dare lavvio ai programmi di differenziazione cellulare, ciclo cellulare e apoptosi

20. MECCANISMO DAZIONE 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 perci alterare la concentrazione di substrati o intermedi; C. Influenzare positivamente o negativamente le vie di trasduzione di segnali cellulari.

21. 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 in grado di legare direttamente recettori nucleari e influenzare l'espressione genica.

22. 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

23. La dieta pu rappresentare un fattore di rischio per malattie La prima associazione tra lintake di uno specifico alimento e una patologia risale al 1908 quando si scopr che ratti nutriti a uova, latte e carne sviluppavano a livello di arterie lesioni simili allaterosclerosi umana. Le associazioni tra colesterolo e ipercolesterolemia, tra ipercolesterolemia e aterosclerosi portarono lattenzione al legame tra lammontare calorico e/o livelli e tipi di vitamine, grassi e carboidrati rispetto a patologie quali aterosclerosi, cancro, diabete, obesit ecc. I legami tra alimenti, geni e patologie multifattoriali sono difficili da chiarire come ad esempio dimostra il caso dellassociazione tra tipo e livello di grassi alimentari ed incidenza di tumore al seno.

24. 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 lavvento delle informazioni che ci provengono dal sequenziamento genomico e lo sviluppo di metodologie ad alto impatto tecnologico, ora possibile analizzate i SNPs o altri polimorfismi anche in geni multipli. La possibilit di analizzare pattern di SNPs per subfenotipi di patologie croniche richiede sofisticati strumenti statistici e ampi studi di popolazione e storie familiari

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

26. Si pu considerare lesempio del gene per la arilammina N-acetiltransferasi (NAT2) che 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. Lallele lento 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 pi suscettibili al tumore alla vescica quando esposti ad agenti pro-ossidanti. Le frequenze alleliche di NAT2 fanno comprendere quanto importante conoscere sia la distribuzione allelica nelle popolazioni sia le influenze ambientali.

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

• La variabilit genetica pi comune il polimorfismo di un singolo nucleotide (SNP) che provocata dalla sostituzione di una singola base nella sequenza di DNA. Questo errore ricorre frequentemente (circa ogni 1000/2000 nucleotidi allinterno del genoma umano).

• LSNP pu essere il risultato di una:

• predisposizione genetica

• influenza ambientale

• combinazione di entrambi

• LSNP quindi, 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

28. 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 dellosso Recettore per la vitamina D, recettore per gli estrogeni, collagene tipo I Associazione con la salute dellosso, osteoporosi, mediazione nella traslocazione del calcio e del fosfato Metabolismo lipidico Apolipoproteine (AIV, B, B3, E), recettore per la lipoproteina lipasi a bassa densit 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 suscettibilit al cancro attraverso la dieta

29. MECCANISMO DAZIONE DI SNP Un esempio semplice ma chiaro di come un SNP possa alterare lespressione genica il polimorfismo che altera la tolleranza al lattosio . Una mutazione verificatasi circa 9000 anni fa nel nord Europa ha modificato lespressione del gene per la lattasi idrolasi ( locus LCH ). Bench esistano 11 polimorfismi, classificati in 4 aplotipi differenti (A, B, C, U), un SNP chiamato C13910T localizzato 14 kb a monte del gene LCH altamente associato con la tolleranza al lattosio. Laplotipo A conferisce lintolleranza 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 pu conferire alcuni vantaggi selettivi che comprendono unalimentazione migliore, la prevenzione delle disidratazione ed un miglior assorbimento del calcio.

30. Un altro esempio riguarda un comune polimorfismo nel gene A222V per il metilen-tetraidrofolato reduttasi (MTHFR). Questo SNP provoca la sostituzione di un amminoacido nellenzima in grado di modificarne e alterarne laffinit per il suo cofattore (vit.B 12 ). Via metabolica normale Enzima Enzima modificato Allele normale Accumulo di folato rimetilazione Hcy Iper-Hcy Rischio tubo neurale codifica codifica A222V Dieta ricca in folati Ipo-Hcy

31. 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) dellesone 11. Solo lisoforma A associata con iperinsulinemia .

32. SNPs ED ATTIVIT ENZIMATICA Un enzima chiave nel metabolismo androgenico della prostata, lo steroide 5 -reduttasi (SRD5A2), ha 13 varianti naturali allinterno della popolazione. Nove di queste varianti riducono del 20% o pi lattivit del SRD5A2, mentre altre 3 varianti ne aumentano lattivit del 15%. Poich SRD5A2 produce il diidrotestosterone, che a sua volta regola i geni prostatici, le varianti nel SRD5A2 possono influire positivamente o negativamente sullinsorgenza e gravit del tumore prostatico .

33. La metilazione a livello della Citosina uno dei meccanismi legati alla attivazione/disattivazione del DNA. Alterazioni nel processo di metilazione, con le conseguenti alterazioni nellespressione genica, possono avere importanti conseguenze per lembriogenesi. Infatti le configurazioni di metilazione vengono definite gi 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 leventuale supplementazione con folati o altri donatori di gruppi metilici pu quindi alterare lo stato di metilazione del DNA nellembrione. Tale azione sul genoma embrionale avr conseguenze per tutta la vita dellindividuo. Variazioni dietetiche, metilazione del DNA e variazioni nellespressione genica

34. Carenza in micronutrienti, danno al DNA erimodulazione delle RDA carenze marginali in folato, vitamina B12, niacina e zinco antiossidanti quali vit. C, vit.E e carotenoidi possono influenzare la stabilit del genoma svolgono unazione protettiva nei confronti di danni ossidativi a carico delle macromolecole biologiche. La validazione degli effetti protettivi di questi micronutrienti potr 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.

35. provoca rottura del cromosoma per incorporazione di uracile nel DNA (fino a milioni uracile/cellula ). Carenza in micronutrienti, danno al DNA erimodulazione delle RDA Le carenze in micronutrienti sono in grado di spiegare perch circa 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 pi alti. Ad esempio una carenza delle vitamine B6, B12, acido folico, niacina, vit C, vit E, rame e ferro sembra mimare leffetto di radiazioni nel danneggiamento del DNA, provocando interruzione del filamento, lesioni ossidative o entrambi. La carenza di folato

36. 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 B 12 4% (< RDA) non caratterizzato Cancro al colon, patologie cardiache, disfunzioni cerebrali, danno neuronale Vitamina B 6 10 % (< RDA) non caratterizzato Cancro al colon, patologie cardiache, disfunzioni cerebrali. Vitamina C 15% (< RDA) ossidazione DNA Cataratta (x 4) , cancro Vitamina E 20% (< RDA) Radiazione-mimetico: ossidazione DNA Cancro al colon (2), patologie cardiache (x 1,5) disfunzioni immunitarie Ferro 7% (< RDA) 19% donne 15-50 anni Rottura DNA, Radiazione-mimetico Disfunzioni immunitarie e al cervello; cancro Zinco 18% (< RDA) Rottura cromosoma, radiazione-mimetico Disfunzioni immunitarie e al cervello; cancro Niacina 2% (< RDA) Incapacit riparare DNA Sintomi neurologici, perdita di memoria

37. Fintanto che i nutrienti sono ingeriti regolarmente, partecipano direttamente od indirettamente al processo di regolazione dellespressione, conseguentemente i geni regolati dalla dieta possono essere coinvolti nel processo di iniziazione, progressione e gravit della patologia Ad esempio la quantit di angiotensinogeno ANG circolante associata con laumento della pressione sanguigna. Un SNP chiamato AA, in posizione del nucleotide 6 del gene per ANG 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 meno efficace nel ridurre la pressione in individui con un genotipo GG. LA DIETA PU RAPPRESENTARE UN FATTORE DI RISCHIO PER MALATTIE

38. LA DIETA PU RAPPRESENTARE UN FATTORE DI RISCHIO PER MALATTIE Diabete tipo II tipico in pazienti obesi e/o sedentari Cambiamenti nelle variabili ambientali Attivit fisica Intake calorico consumo grassi Controllo dellespressione del genoma Miglioramento quadro patologico Individuo sensibile Trattamento famacologico Individuo non sensibile SI NO

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

40.

• Lintegrazione della genomica con la scienza della nutrizione ha iniziato a chiarire la complessit delle risposte genomiche in risposta ai nutrienti presenti nella dieta, offrendo lopportunit di aumentare lefficacia 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.

41. CONCLUSIONI

• Variazioni genetiche individuali possono influenzare il modo con cui un nutriente pu essere assimilato, metabolizzato, conservato ed escreto.

• La possibilit di comprendere le interazioni nutrienti-genoma consentir quindi di:

• sviluppare una dietetica personalizzata

• influenzare le raccomandazioni dietetiche

• definire le strategie di politica nutrizionale

42. Eat right for your genotype

• First it was smart drugs. Now it's smart diets.

• what your genes want you to eat

43.

• Dieta personale costruita a misura sul proprio profilo genetico, anche per lassunzione di vitamine che saranno dosate su misura

• Leffetto della dieta in base al proprio genotipo, in modo che sia efficace