Nutrigenomica e Nutrigenetica: Cosa deve conoscere il pediatra Laura Stronati NUTRIGENETICA La nutrigenetica riguarda l’identificazione delle variazioni genetiche nell’uomo che causano differenze nella risposta fenotipica alle molecole introdotte con la dieta, con l’obiettivo di valutare i rischi e i benefici per l’individuo di determinate componenti della dieta. In termini pratici, con la nutrigenetica è possibile sviluppare una nutrizione personalizzata alla costituzione genetica dell’individuo, tenendo conto della variabilità dei geni coinvolti nel metabolismo del nutriente e del suo bersaglio. NUTRIGENOMICA La nutrigenomica studia l'effetto dei nutrienti sulla salute attraverso l'alterazione del genoma, proteoma, metaboloma e le conseguenti modifiche nella fisiologia. La nutrigenomica ha aperto una nuova frontiera ed ha creato un nuovo approccio scientifico, imperniato sulla prevenzione e sulla diagnosi genetica combinate insieme. La nutrigenomica prevede quindi l'applicazione di tecniche “omiche” a problemi nutrizionali e alimentari NUTRI GENOMICS NUTRI GENETCS Sales et al, Journal of Nutrition and Metabolism 2014 A Common Genetic Variant in the Insulin Receptor Gene Is Associated with Eating Difficulties at 2 Years of Age in a Cohort of Preterm Infants Amarger V. · Bouvagnet A. · Moyon T. · Vaiman D. · Darmaun D. · de LauzonGuillain B. · Robitaille J. · Flamant C · Rozé J.-C. · Parnet P. J Nutrigenet Nutrigenomics 2015;8:153-163 Dietary Vitamin A and Visceral Adiposity: A Modulating Role of the RetinolBinding Protein 4 Gene Goodwin K. · Abrahamowicz M. · Leonard G. · Perron M. · Richer L. · Veillette S. · Gaudet D. · Paus T. · Pausova Z. J Nutrigenet Nutrigenomics 2015;8:164-173 Relationship between Caffeine and Levels of DNA Repair and Oxidative Stress in Women with and without a BRCA1 Mutation Nikitina D. · Chen Z. · Vallis K. · Poll A. · Ainsworth P. · Narod S.A. · Kotsopoulos J. J Nutrigenet Nutrigenomics 2015;8:174-184 Maternal Diet Enriched with α-Linolenic or Saturated Fatty Acids Differentially Regulates Gene Expression in the Liver of Mouse Offspring Leikin-Frenkel A. · Shomonov-Wagner L. · Juknat A. · Pasmanik-Chor M. J Nutrigenet Nutrigenomics 2015;8:185-194 NUTRIGENETICA POLIMORFISMO GENETICO Il 99.9% del nostro genoma è identico per tutti noi mentre quel 0.1% è il solo responsabile delle nostre variazioni e specificità, rendendoci assolutamente unici • Il polimorfismo è la coesistenza di differenti variazioni di un carattere in una popolazione, dovute a differenze nelle sequenze del DNA. • I polimorfismi, cioè le variazioni genetiche che hanno una frequenza maggiore dell’1% , sono utilizzati nelle analisi genetiche. Mutazione = variazione della sequenza nucleotidica rispetto ad una sequenza di riferimento – Effetti evolutivi = neutra, vantaggiosa, svantaggiosa – Patologica = determina insorgenza di una malattia Polimorfismo = mutazione con frequenza >1% nella popolazione SNPs Un polimorfismo a singolo nucleotide (spesso definito in inglese Single Nucleotide Polymorphism o SNP) è un polimorfismo, cioè una variazione, del materiale genico a carico di un unico nucleotide, Lo studio degli SNPs è molto utile poiché variazioni anche di singoli nucleotidi possono influenzare lo sviluppo delle patologie o la risposta ai patogeni, agli agenti chimici, ai farmaci. SNPs e NUTRIGENETICA/NUTRIGENOMICA Screening di polimorfismi genetici associati al metabolismo dei nutrienti: Le scoperte più recenti sul genoma umano ci forniscono gli strumenti e le basi per comprendere i meccanismi molecolari attraverso i quali singoli geni, o loro combinazioni, rispondono ai cambiamenti nella dieta e nello stile di vita (esposizione al fumo di sigaretta, consumo di alcol ecc.), rendendo un individuo particolarmente sensibile a contrarre un certo tipo di patologia e di far luce sui meccanismi tramite i quali la dieta, influenzando l’espressione genica, può esercitare un effetto protettivo. In definitiva le potenzialità offerte da questo nuovo approccio ci introducono in una nuova era della scienza della nutrizione, la nutrigenetica. INTOLLERANZA AL LATTOSIO • Il lattosio viene scisso, nell’intestino, in glucosio e galattosio ad opera dell’enzima lattasi. Questo enzima è codificato dal gene LPH mappato sul cromosoma 2. Alla nascita i livelli di lattasi sono molto elevati ma diminuiscono dopo lo svezzamento. Dai due anni di età, si assiste ad una graduale diminuzione dei trascritti di mRNA della lattasi, associata ad una riduzione dell’attività enzimatica. • La PLI (Intolleranza Primaria al Lattosio) è riconducibile ad un polimorfismo nella posizione -13910 della regione regolatrice del gene della lattasi, che nell’omozigosi porta ad una carenza di lattasi nei microvilli dell’intestino tenue. La trasmissione ereditaria è autosomica recessiva, solo i portatori omozigoti sono dunque affetti dalla PLI. • Nell’Europa la frequenza dei portatori omozigoti ammonta a ca. il 15%. Un ulteriore 45% sono portatori eterozigoti di una mutazione, tuttavia non colpiti dalla PLI MALATTIA CELIACA Le molecole HLA di classe II, comprendenti i geni DR,DQ,DP, sono esposte sulla superficie delle cellule APC (Antigen Presenting Cells), per legare l’antigene e presentarlo ai linfociti CD4+ Forte associazione della malattia celiaca con i geni del complesso HLA II codificanti gli eterodimeri DQ2 (95% dei casi) e DQ8, identificabili tramite gli alleli DQA1*0501/DQB1*0201 o DQA1*0501/DQB1*0202 e DQB1*0302 rispettivamente OBESITA’ Nel 2007, il gene FTO (fat mass and obesity associated) è stato identificato, mediante GWAS, come il primo gene associato all’obesità nell’uomo. l gene FTO è detto “gene della massa grassa” proprio perché opera come generatore di accumulo di grasso. Non a caso il polimorfismo rs9939606 del gene FTO è legato ad un incremento del BMI, ad un maggiore rischio di obesità e diabete di tipo 2, ad un incremento dell’introito di cibo (in particolare ricco in grassi) e ad una riduzione del senso di sazietà. Il gene FTO controlla la produzione dell’ormone grelina, influenzando il comportamento alimentare, l’assunzione di calorie e la tendenza allo sviluppo del disordine corporeo. DANNO VASCOLARE I livelli clinicamente aumentati di omocisteina rappresentano un fattore indipendente di rischio cardiovascolare . L’omocisteina sembrerebbe indurre il danno vascolare interferendo con la produzione di acido nitrico da parte dell’endotelio, determinando iperplasia delle cellule muscolari lisce e aumentando la produzione di radicali liberi con conseguente danno ossidativo e perossidazione lipidica (così favorendo la formazione della placca aterosclerotica), nonché interferendo con la funzione piastrinica e incrementando la tendenza alla trombosi La Metilentetraidrofolatoreduttasi (MTHFR) è un enzima coinvolto nella trasformazione del 5-10 metilentetraidrofolato in 5 metiltetraidrofolato, un composto che serve come donatore di metili per la rimetilazione dell’omocisteina a metionina, tramite l’intervento della vitamina B 12; polimorfismo genetico comune, C677T, che causa una sostituzione di una alanina in valina nella proteina finale ed una riduzione dell'attività enzimatica della MTHFR Intervento della dieta: Una possibile soluzione al problema è rappresentata anzitutto da una dieta corretta che consenta un approvvigionamento quotidiano di folati. I folati si trovano nelle carni (soprattutto frattaglie, come il fegato) e nei vegetali (soprattutto cereali, fagioli, pomodori, arance e ortaggi a foglia verde o barbabietole rosse), riso, frutta secca in guscio, cioccolato, uova, in forma più o meno disponibile NUTRIGENOMICA Tig et al, Gastroenterology 2015 Tig et al, Gastroenterology 2015 Epigenetic modifications include: • • • • • • global DNA methylation, gene-specific DNA methylation, histone modifications, chromatin immunoprecipitation, non-coding RNA microRNA hybridization. The effect of nutrition on the methylation equilibrium of the genome is already accepted as one of the mechanisms preventing either promoter hyper- or global hypomethylation. Several nutrients are renowned for their impact on DNA methylation, such as folic acid, vitamin B, green tea, and alcohol Diversi nutrienti, come l’acido folico, la vitamina D, i PUFAs, sono rinomati per i loro effetti sull’epigenoma Vitamina D Il ruolo della vitamina D nel regolare l’espressione genica è divenuto evidente sin dalla scoperta del recettore della vitamina D (VDR), membro della superfamiglia dei recettori nucleari steroidei L’attività di specifici geni è mediata dal VDR il quale, in seguito al legame con 1,25(OH)2D3, si lega come eterodimero insieme al recettore retinoide X (RXR) a specifiche sequenze nucleotidiche (VDREs) localizzate in regioni regolatorie del DNA. il legame attiva il reclutamento di complessi enzimatici che rimodellano la cromatina, facilitano le modificazioni epigenetiche e influenzano la concentrazione locale delle RNA polimerasi II sui promotori die geni bersaglio Gli effetti epigenetici della vitamina D sono legati alla modificazione degli istoni, soprattutto l’acetilazione, Inoltre, la vitamina D può alterare la metilazione del DNA. Nell’intestino: la vitamina D inibisce la produzione di IFN-γ e IL-17 mentre induce le cellule T regolatorie. Inoltre, regula l’integrità delle cellule epiteliali, della risposta immunitaria innata e la composizione del microbiota intestinale. In generale, la vitamina D regula una serie di vie di segnale che mantengono l’omeostasi intestinale. VITAMINA D3 ENDOGENA Colesterolo ESOGENA Dieta (latte, burro, formaggi,pesce,uova) 1° ossidazione nel fegato colecalciferolo 25 diidrossicolecalciferolo 2° ossidazione nel rene 1,25 diidrossicolecalciferolo Pike and Meyer, Endocrinol Metab Clin North Am 2010 Cantorna et al, Exp Biol Med 2014 POLYUNSATURED FATTY ACIDS (PUFA) I principali PUFA da un punto di vista nutrizionale sono rappresentati dagli omega-6 e omega-3. I PUFA giocano un ruolo nella prevenzione e progressione di malattie quali obesità, diabete, cancro, patologiche cardiache e neurologiche, soprattutto influenzando la composizione lipidica delle membrane cellulari e mediante controllo diretto dell’espressione genica. I PUFA mostrano regolazione dell’espressione genica in diversi tessuti compresi cervello, fegato, cuore e tessuto adiposo. I PUFA sono in grado di regolare diversi pathways metabolici servendosi di due meccanismi principali: 1) legame diretto con recettori nucleari (PPAR, LXR, HFN4a); 2) controllo dell’abbondanza di fattori di trascrizione (SREBP-1, NF-kB…) Ad esempio, da studi in vivo emerge come i PUFA siano coinvolti nella regolazione del metabolismo epatico di carboidrati e lipidi agendo principalmente sui pathway regolati da LXR e PPARa. 1 2 POLIFENOLI I polifenoli sono antiossidanti naturali presenti nelle piante. Sono accertati effetti positivi sulle patoligie cardiovascolari, malattie legate alla senescenza e tumorali. Dal punto di vista chimico, i polifenoli sono molecole composte da più cicli fenolici condensati (composti organici che possiedono uno o più gruppi ossidrilici - OH - legati ad un anello aromatico). In base alla loro struttura possono essere schematicamente distinti in: fenoli semplici, flavonoidi, tannini I polifenoli abbondano soprattutto nella frutta e verdura fresca, ma anche nel tè, nel vino, nel cacao e nei derivati. l’effetto dei polifenoli è attrbuibile in gran parte a modificazioni dell’espressione genica attraverso meccanismi epigenetici (cambiamento del pattern di metilazione del DNA, acetilazione degli istoni, espressione di miRNA) I polifenoli si suddividono più genericamente in flavonoidi e non flavonoidi: 1. Flavonoidi: flavanoli (catechina, epigallocatechina), flavoni (luteolina, apigenina), flavanoni (naringenina, hesperidina), flavonoli (quercetina, miricetina), isoflavoni (daidzeina, genisteina) e antocianidine (cianidina, malvidina). 2. non-flavonoidi : acido caffeico, acido ferulico, compresa la curcumina, lignani (secoisolariciresinoli), stilbeni (resveratrolo). La regolazione trascrizionale di enzimi antiossidanti e detossificanti avviene ad opera di regioni geniche specializzate (ARE/EpRE) sulle quali agiscono fattori di trascrizione, quali Nfr2, che sono reclutati nel citoplasma da proteine, quali Keap1, e traslocati nel nucleo. La modulazione di Keap1Nfr2 è un evento centrale nella risposta cellulare allo stress ossidativo. I Polifenoli possono: 1) Modificare la capacità di Keap1 di sequestrare Nfr2 2) Attivare le proteine MAP kinasi coinvolte nella stabilizzazione di Nfr2 Masella et al, J Nutr Biochem 2005 Epigenetic targets of polyphenols in cancer. Yang P, He X, Malhotra A. J Environ Pathol Toxicol Oncol 2014 Abstract Interest in dietary polyphenols has recently increased greatly owing to their antioxidant capacity and their possible beneficial implications in various pathological states, including cancer. Polyphenols are a group of chemicals found in many fruits, vegetables, and plants and have the ability to remove free radicals from the body. In the last 2 decades, the numbers of reports on the potential health benefits of polyphenols have increased. This review provides the available scientific data that justify importance of polyphenols in correlation with epigenetics to fight against carcinogenesis. Epigenetics involves genetic control by mechanisms other than DNA sequence. These epigenetic mechanisms have ability to switch on or off various important genes influencing the process of cancer. Furthermore, due to the reversible nature of these epigenetic mechanisms, they are influenced by a variety of dietary polyphenols. This review focuses on the dietary polyphenols that significantly affect these epigenetic mechanisms to mitigate carcinogenesis. TAKE HOME i composti introdotti con la dieta possono esercitare a livello del genoma umano effetti diretti o indiretti, alterando l’espressione dei geni; la dieta può rappresentare un fattore di rischio o uno strumento di prevenzione per le patologie degenerative; il grado in cui la dieta può influenzare il bilancio salute/malattia dipende dal corredo genetico di ciascun individuo; un intervento nutrizionale basato sulla conoscenza del genotipo e dello stato di nutrizione dell’individuo può essere usato per prevenire o curare le patologie.