Genomika Badanie genomu czyli bazy genetycznej organizmu Badanie oddziaływań genom-środowisko W oparciu o nowoczesne narzędzia badawcze

Transkrypt

1 Nutrigenomika Jednostka prowadząca Katedra Biochemii i Chemii Klinicznej, Zakład Farmakogenomiki, Wydział Farmaceutyczny Warszawski Uniwersytet Medyczny

2 Genomika Badanie genomu czyli bazy genetycznej organizmu Badanie oddziaływań genom-środowisko W oparciu o nowoczesne narzędzia badawcze

3 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)

4 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...

5 Prawidłowe żywienie warunkuje pełne wykorzystanie potencjalnych, genetycznie uwarunkowanych możliwości optymalnego rozwoju fizycznego i umysłowego człowieka oraz zapewnia zachowanie homeostazy ustrojowej ŚWIATOWA ORGANIZACJA ZDROWIA

6 Dieta Zróżnicowanie odpowiedzi - Wyjaśnienie przyczyn - Wyjaśnienie wpływu na zdrowie - Jak ustalać zalecenia indywidualne

7 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

8 Dieta Zdrowie Efekt bezpośredni Efekt pośredni poprzez interakcje z genomem

9 SKŁADNIKI ŻYWNOŚCI GENY BIAŁKA METABOLIZM

10 Nutrigenomika- analizuje wpływ składników diety na genom Genomika, transkryptomika, proteomika, metabolomika - nowe kierunki badania wpływu żywności na procesy molekularne organizmu. Genom Transkryptom Proteom DNA RNA białka białka zmodyfikowane białka funkcjonalne transkrypcja translacja modyfikacje potranslacyjne

11 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

12

13 GEN Odcinek DNA kodujący informacje dotycząca powstawania w komórce określonego produktu głównie białka

14 Nucleotide Phosphate Group O O=P-O O Sugar (pentose) 5 CH2 C 4 O C 3 C 2 C 1 N Nitrogenous base

15 Kwasy nukleinowe Zasady Puryny adenina (A) - DNA, RNA guanina (G) - DNA, RNA Pirymidyny cytozyna (C) DNA, RNA tymina (T) - DNA uracyl (U) - RNA

16 Nukleotydy Wszystkie istoty żywe, z wyjątkiem pasożytniczych pierwotniaków, syntetyzują nukleotydy purynowe i pirymidynowe

17 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 m. The earth is 150 billion m or 93 million miles from the sun.

18 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).

19

20 Kwasy nukleinowe Przechowywanie Przekazywanie Przenoszenie Informacji niezbędnej do syntezy białek

21 DNA Przechowywanie informacji genetycznej Przekazywanie informacji komórkom potomnym

22 RNA Wykorzystanie informacji genetycznej przez komórkę przenoszenie z miejsca jej przechowywania do miejsca jej wykorzystania

23 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

24 Mutacje Zmiany w strukturze DNA - zmiany w ułożeniu nukleotydów - zastępowanie jednych nukleotydów przez inne - dodawanie nowych nukleotydów - wycinanie nukleotydów

25 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

26 DNA Mutation DNA C A A G C T A A C T Normal gene C A A G C G A A C T Single base change C A A G G C G C T A A C T Additions C A A G A A C T C T Deletions

27 Odmienna kolejność ułożenia aminokwasów - zmieniona struktura białka - wpływa na jego funkcję

28 Polimorfizm Mutacje które często występujące w populacji Częstość powyżej 1% Formy polimorficzne genu

29 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

30 Duplicated/Replicated Chromosomes Sister Chromatids

31 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

32 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)

33 Polimorfizm Konwencja zapisu polimorfizmu SNP Zapis na poziomie DNA C3435T = 3435C>T = 3435C/T

34 Polimorfizm Konwencja zapisu polimorfizmu SNP na poziomie DNA 77A>G (77A/G, A77G) na poziomie białka Gln26Arg = Q26R w bazie SNP rs

35 Polimorfizm Zapis polimorfizmu SNP Enzymy cytochromu P450 cytochrom P450 2D6 gen CYP2D6 formy polimorficzne genu allele *1A *1B *2A *2B CYP2D6*1A

36 Ekspresja genów - odczytywanie informacji genetycznej zakodowanej w genomie i przepisywanie jej na białka..

37 Ekspresja genów- czyli wytwarzanie produktu genu w postaci białka zakodowanego w określonej sekwencji nukleotydów. Obejmuje dwa etapy: transkrypcję i translację.

38 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

39

40

41 Epigenomika Genetyka CH3-DNA Genomika Proteomika DNA RNA Białka Bioaktywne elementy diety

42 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)

43 Dieta - Genotyp - Fenotyp DIETA GENOTYP ZDROWIE CHOROBA FENOTYP

44 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

45 GENY CZYNNIKI ŚRODOWISKOWE ROZWÓJ CHORÓB WIELOGENOWYCH Choroby układu krążenia Cukrzyca Otyłość Osteoporoza Nowotwory Choroby immunologiczne Inne

46

47 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 48

49 Fruktozemia wywołana mutacjami w obrębie genu ALDOB kodującego aldolazę B dr n. farm. Małgorzata Wrzosek 49

50 Fruktozemia Wrodzona nietolerancją fruktozy 1: choroba genetyczna o dziedziczeniu autosomalnym recesywnym Gen aldolazy B fruktozo-1-fosforanu na chromosomie 9q12-32 Mutacje to A146P (67%) i A174D (16%) 50

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 51

52 Galaktozemia (GAL - częstość 1/ urodzeń) Mutacja genu urydylo-transferazy galaktozo-1-fosforanowej (GALT) Q188R podstawienie glutaminy w miejsce argininy zmieniające sens odczytu 52

53 Nietolerancja laktozy U podstaw nietolerancji laktozy leżą uwarunkowanie genetyczne głownie związane z polimorfizmem C/T w promotorze genu LCT kodującego laktazę Polimorfizm ten ma związek z wysokim ryzykiem ujawnienia się nietolerancji laktozy ze względu na obniżoną aktywność enzymu 53

54 Nietolerancja laktozy Prawdopodobnie w Polsce nietolerancja laktozy może dotyczyć ponad 30% populacji Problem ten wymaga udokumentowania poprzez określenie częstości allela C u Polaków 54

55 Badanie DNA na nietolerancję laktozy u dorosłych (hipolaktazję) WSKAZANIA 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 55

56 Celiakia Wśród genów odgrywających kluczową rolę w rozwoju celiakii znajdują się allele II klasy układu HLA kodujące antygeny HLA-DQ2 lub HLA-DQ8. 56

57 Celiakia Obecność antygenów HLA-DQ2 lub HLA-DQ8 na komórkach układu odpornościowego wywołuje nadmierną odpowiedź immunologiczną na rozpuszczalną w wodzie frakcję glutenu gliadynę 57

58 Celiakia 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 58

59 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

60 Fenyloketonuria - diagnostyka stężenia fenyloalaniny we krwi 4 najczęstsze mutacje: R408W (59,3%), R158Q (3,4%), IVS10 c g-a (5%), IVS12 c g-a (3,9%) stanowiące łącznie ok. 72% wszystkich mutacji. 60

61 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

62 FAWIZM 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

63 niedobór dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej G6PD G6PD W erytrocytach niedobór NADPH wpływa na skrócenie czasu przeżycia tych krwinek, może prowadzić do niedokrwistości hemolitycznej. NADPH

64 Szlak pentozofosforanowy dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowej kluczowy dla powstawania podstawowego, komórkowego czynnika redukującego czyli NADPH NADPH 64

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 65

66 FAWIZM 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.