Genom a Ŝywienie, aktywność fizyczna

Transkrypt

1 FACULTATES MEDICAE COLLEGII MEDICI UNIVERSITATIS JAGIELLONICAE A.D. MCCCLXIV FUNDATA Małgorzata Schlegel-Zawadzka Zakład śywienia Człowieka Instytut Zdrowia Publicznego Wydział Ochrony Zdrowia Collegium Medicum UJ Ul. Grzegórzecka 20, Kraków, tel Genom a Ŝywienie, aktywność fizyczna

2 Jesteśmy róŝni... Nadwaga: Picie alkoholu: Palacz: Aktywność ruchowa: Zdrowa dieta: Tak Tak Tak Brak Brak Ostatnia praca: Premier Wielkiej Brytanii w wieku 80 lat Umarł 90 lat Gill-Garrison, 2005

3 Jesteśmy róŝni... Jim Fixx Author: The Complete Book of Running Umarł, atak serca 52 lata Gill-Garrison, 2005

4 Cogito ergo sum. (Myślę, więc jestem) Kartezjusz ( ) Geny zakreślają moŝliwości poznania. Nasze ego (człowieczeństwo i nasza toŝsamość) zakodowana w sekwencji par nukleotydów. Wiek XX wiek genu - genetyki Wiek XXI wiek genomu - genomiki

5 ZDROWIE Stan pełnego dobrostanu fizycznego psychicznego i społecznego, a nie tylko brak choroby lub kalectwa. 20,0% 10,0% 20,0% UDZIAŁ CZYNNIKÓW DECYDUJĄCYCH O ZDROWIU CZŁOWIEKA WG WHO 50,0% Styl Ŝycia Środowiska Czynniki genetyczne Opieka zdrowotna optymalizacja stresu odpowiednio zbilansowana dieta, uprawianie sportu, właściwy odpoczynek

6 Czynniki mające wpływ na zdrowie, które przychodzą pierwsze na myśl Konsumentom. Cogent Research Dieta i Ŝywienie Aktywność ruchowa Ogólne zachowania Waga i otyłość Pogląd na świat/stan umysłowy Stres Palenie papierosów Czynniki środowiskowe Dostęp do dobrej opieki zdrowotnej Leki/picie alkoholu 6% 4% 2% 13% 9% 8% 8% 7% 40% 58% Które jeden lub dwa czynniki moŝesz wskazać, jako mające największy wpływ na osoby?

7 1910 wprowadzenie nazwy gen abstrakcyjna jednostka dziedziczenia odpowiedzialna za pojedynczą cechę. Chromosom ciałko barwiące. Całe DNA zawarte w jądrze ludzkiej komórki (czyli ludzki genom) ma półtora metra długości.

8 Podwójna helisa nici DNA

9 Kariotypy męŝczyzna 23 pary chromosomów męŝczyzny kobieta

10

11 Istoty ludzkie są w 99,99% takie same, ale mogą rozwijać podobne (choroby) fenotypy. Muller, 2005

12 Mendel G. Versuche über Pflanzen-Hybriden. Verhandlungen des naturforschenden Vereines, Abhandlungen, Brünn 4, 3-47 (1866). Wydanie polskie 1915 r. Badania mieszańców...

13 WATSON James D., CRICK Francis H. Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature Apr 25;171(4356): Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic acid. Nature May 30;171(4361): The structure of DNA. Cold Spring Harb. Symp. Quant Biol. 1953;18:

14 Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana, Robert Holley złamanie kodu genetycznego kaŝda trójka zasad RNA koduje jeden aminokwas Frederick Sanger, Allan Maxam, Walter Gilbert rozwój metod sekwencjonowania DNA GenBank

15 Zlokalizowanie pierwszego genu odpowiedzialnego za dziedziczenie choroby pląsawica Huntingtona.

16 Koordynacja: U.S. Department of Energy, National Institutes of Health. Planowany początkowo na 15 lat. Koszt zakładany 3 mld $. Rzeczywisty koszt w 2003 r. 2,7 mld $. Udziałowcy: 20 naukowych ośrodków z: Chin, Francji, Niemiec, USA, Wielkiej Brytanii

17 The Human Genome Program of the U.S. Department of Energy Office of Science funds this suite of Web sites New Featuring Gene Gateway tools for exploring the sequence Welcome! Explore this site for information about the Human Genome Project ( ).

18 Cele projektu Identyfikacja wszystkich 20 tys. 25 tys. genów w DNA człowieka. Oznaczenie sekwencji 3 miliardów par zasad tworzących DNA człowieka. Zgromadzenie tych informacji w formie bazy danych. Ulepszenie narzędzi potrzebnych do analizy danych. Transfer pokrewnych technologii do sektora prywatnego. Zwrócenie uwagi na problemy etyczne, prawne i socjalne jakie mogą powstać w wyniku projektu. Wynik badań 4 a Accurate dokładny, pozbawiony błędów bezbłędność 99,99%. Assembled właściwie zmontowany badania róŝnych fragmentów DNA ponownie potem łączone. Affordable przynoszący poŝytek, stworzenie nowych technologii. Accessible bezpłatna baza danych z opisem produktu dostępna dla kaŝdego przez 24 h.

19 2001 Pierwsza wersja genomu człowieka 1999 Chromosom 22

20 Nature, 2001, 409, 15 February

21 Celera Genomica została załoŝona przez Applera Corporation i dr J. Craig Venter a, z pierwotną misją zsekwencjonowania i skompletowania genomu człowieka w ciągu 3 lat Marzec 2000 Drosophila (muszka owocowa) opublikowanie sekwencji genomu wspólnie z Berkeley Drosophila Genome Project. Czerwiec 2000 pierwszy projekt genomu człowieka.

22 To, Ŝe kogoś znasz, jest waŝniejsze od tego, co umiesz. ( p.n.e.)

23 Bromatogenomika broma [gr.] - Ŝywność genomika opisywanie całych zestawów genów śywność jakość Ŝywności składniki naturalnie występujące składniki celowo dodane zanieczyszczenia procesy technologiczne GMO Ŝywność genetycznie modyfikowana GIS genetic improved subjects

24 Nutrigenomika - nutri od nutrition Ŝywienie - genomika nie jest akcentowana Ŝywność jako produkt spoŝywczy poddany procesowi technologicznemu Nutrigenomika badania na poziomie komórki tkanki organizmu Pytanie: jak Ŝywienie zmienia homeostazę organizmu?

25 US Department of Agriculture The Times 20 październik 2005

26 Strategie genomiczne 1)Podejście tradycyjne poszukiwanie specyficznych genów i białek, których ekspresja jest pod wpływem składników odŝywczych; narzędzia metabolomiki, transkryptomiki, proteomiki Modele zwierząt transgenicznych, linie komórkowe. Szczegółowe informacje na poziomie cząsteczkowym o interakcji pomiędzy Ŝywieniem a genomem.

27 Strategie genomiczne 2) Podejście biologii systemowej bardziej teoretyczne spojrzenie. Skatalogowanie genów, białek i metabolitów odpowiadających składnikom odŝywczym i Ŝywieniu; mogą one być wczesnymi cząsteczkowymi biomarkerami zaburzeń w homeostazie wywołanej przez składniki pokarmowe. Takie podejście waŝniejsze dla Ŝywienia człowieka, ale trudniejsza dostęp do tkanek zdrowych osobników. MoŜliwość analizy porównawczej.

28 Bariera w identyfikacji cząsteczkowych biomarkerów u ludzi brak dostępności do tkanek ludzi zdrowych. Krew łatwo dostępna. Badania microarray - ludzkie limfocyty. Limfochipy diagnostyka medyczna. Składniki odŝywcze słabe sygnały, ale długodziałające.

29 SNPs single nucleotide polymorphism - zróŝnicowanie w zapotrzebowaniu na składniki odŝywcze Badania poziomu cholesterolu HDL i LDL; zaburzenia w zapotrzebowaniu na kwas foliowy. ZróŜnicowanie jednostek chorobowych: monogeniczne i poligeniczne: fenyloketonuria, cukrzyca/otyłość, cukrzyca

30

31 Przekarmienie = Geny + Kalorie + Styl zycia...? Muller, 2005 to nie jest prosty problem

32 Gill-Garrison, 2005 Zastosowania nutrigenomiki

33 Wahadło zdrowia. Determinanty ryzyka choroby niedokrwiennej serca i raka WraŜliwe geny Złe odŝywianie podczas Ŝycia płodowego Wysokie czynniki ryzyka w stylu Ŝycia Ochronne geny Dobre odŝywianie podczas Ŝycia płodowego Zdrowy styl Ŝycia Czas

34 Nutrigenomika droga w kierunku spersonifikowanej diety? Optymalne Ŝywienie Indywidualny genotyp UŜytkowany fenotyp Muller, 2005 Styl Ŝycia Jedz odpowiednio do swojego genotypu Poprawa Utrzymywanie Zdrowia

35 Frank Desiere, 2005

36

37

38

39 Fairweather-Tait, 2005

40 OTYŁOŚĆ GŁÓWNY śywieniowy PROBLEM W KRAJACH ROZWINIĘTYCH Jaki jest powód? Czynniki środowiskowe: nadmierne spoŝycie Ŝywności mniejsza aktywność fizyczna styl Ŝycia śywienie w okresie rozwoju? Specyficzna składniki Ŝywności? Wewnętrzne czynniki: geny

41 Więcej niŝ 430 genów i rejonów w chromosomach jest łączonych z fenotypem otyłości u ludzi. Prawie 100 genów jest odpowiedzialnych wprost za otyłość gene.pbrc.edu

42 Leptyna w Ŝołądku człowieka - immunohistochemia Pallou, 2005 Pacjent poszczący Pacjent, który nie pości

43

44 Utrzymanie masy ciała SpoŜycie Ŝywności Wydatek energetyczny Metabolizm podstawowy Termogeneza Aktywnośc

45 Dieta kafeteryjna pociąga za sobą adaptację do termogenezy m.in. Boczek Cukierki Mleko z 20% zawartości cukru Sery Ciasteczka Pallou, 2005

46 Pallou, 2005

47 śywność i termogeneza Składniki Ŝywności wzmagające adrenergiczną stymulację Termogenezy i lipolizy - stymulacja uwalniania NE z zakończeń sympatycznych (efedryna) - hamowanie degradacji pozakomórkowej NA (katechiny w zielonej herbacie) - hamowanie fosfdiesterazy camp (kafeina, teofilinma, teobromina) Niektóre składniki przypraw (kapsaicyna) i imbir podwyŝszają termogenezę (wzrost zuŝycia O 2 ) Składniki podwyŝszające zdolność termogenezy: indukcja UCPs ekspresji i funkcji karotenoidy, PUFA, MCFA Pallou, 2005

48

49 Marju Orho-Melander, 2005 Epidemia cukrzycy

50 Wprowadzenie intensywnego stylu Ŝycia obniŝa częstość i ryzyko wystąpienia cukrzycy typu 2 u osób z wysokim ryzykiem Marju Orho-Melander, 2005

51 Odpowiedź organizmu na zmianę diety mierzona jako stęŝenie lipidów we krwi jest róŝna

52 Cukrzyca typu 2 genetyka 2005 Monogeniczna postać cukrzycy typu 2 1 gen wywołuje cukrzycę Wielkość efektu na gen Najczęstszy typ cukrzycy typu 2 wiele genów o słabym efekcie działania podwyŝsza ryzyko wystąpienia Marju Orho-Melander, 2005 Liczba genów mających udział w powstaniu cukrzycy

53 Cukrzyca typu 2

54 NOWA DEFINICJA ZESPOŁU METABOLICZNEGO WEDŁUG INTERNATIONAL DIABETES FEDERATION (IDF) U osoby z ZM muszą występować: Otyłość centralna zdefiniowana jako obwód w talii > 94 cm u Europejczyków i > 80 cm u Europejek (dla innych grup etnicznych odpowiednie wartości) oraz 2 z 4 następujących czynników: zwiększone stęŝenie triglicerydów: > 150 mg/dl (1,7 mmol/l) lub leczenie tego zaburzenia lipidowego zmniejszenie stęŝenia cholesterolu HDL: < 40 mg/dl (1,0 mm0l/l) u męŝczyzn i < 50 mg/dl (1,3 mmol/l) u kobiet lub leczenie tego zaburzenia lipidowego podwyŝszone ciśnienie tętnicze: skurczowe > 130 mm Hg lub rozkurczowe > 85 mm Hg lub leczenie rozpoznanego wcześniej nadciśnienia tętniczego zwiększone stęŝenie glukozy na czczo (FPG) > 100 mg/dl (5,6 mmol/l) lub wcześniej rozpoznana cukrzyca typu 2 Jeśli FPG wynosi > 5,6 mmol/l (100 mg/dl) zdecydowanie zaleca się wykonanie doustnego testu obciąŝenia glukozą, ale nie jest on konieczny do rozpoznania Zespołu metabolicznego

55 Geny związane z cukrzycą typu 2 i zespołem metabolicznym a umieralność z powodu chorób serca GYS1 i APOE Marju Orho-Melander, 2005

56 Czynniki ryzyka umieralność z powodu choroby niedokrwiennej serca polimorfizm GYS1 XbaI (CT/TT) u męŝczyzn Marju Orho-Melander, 2005

57 Czynniki ryzyka umieralność z powodu choroby niedokrwiennej serca Ryzyko APOE kombinacja genowa u kobiet Marju Orho-Melander, 2005

58 Czy moŝemy zapobiec cukrzycy typu 2 przez zmianę stylu Ŝycia? Czy mamy dowody na to, Ŝe określając SNPs moŝemy przewidzieć wystąpienie cukrzycy typu 2/zespołu metabolicznego/śmierci z powodu chorób krąŝenia? Czy mamy dowody na to, Ŝe SNPs modulują indywidualną odpowiedź na dietę? TAK TAK TAK Marju Orho-Melander, 2005

59 Produkty roślinne bogate w składniki mające wpływ na geny człowieka Roślina Gen Funkcja genu Działanie długofalowe Herbata HER-2 Stymulacja wzrostu komórek Zmniejsza aktywność genu w komórkach rakowych Zielona herbata wycisza geny sprzyjające rozwojowi raka jajnika poprzez zmniejszenie aktywności genu HER-2

60 Produkty roślinne bogate w składniki mające wpływ na geny człowieka Roślina Gen Funkcja genu Działanie długofalowe Czosnek Zespół genów Regulacja enzymów fazy I ObniŜenie aktywności działania enzymów wolniejsze tworzenie produktów przemiany obniŝenie rakotwórczego działania Substancje chemiczne z czosnku mają wpływ poprzez geny na enzymy fazy I. ObniŜają ich aktywność. Efektem działania jest wolniejsze tworzenie produktów przemiany obniŝenie rakotwórczego działania

61 Produkty roślinne bogate w składniki mające wpływ na geny człowieka Roślina Gen Funkcja genu Działanie długofalowe Brokuły GST Zespół genów Produkcja silnego przeciwutleniacza glutationu Regulacja enzymów fazy II Zwiększenie ilości glutationu zapobiega zwyrodnieniu tętnic Zwiększenie aktywności enzymów II fazy Związki zawarte w brokułach stymulują geny odpowiedzialne za produkcję glutationowej s- transferazy (GST).

62 Produkty roślinne bogate w składniki mające wpływ na geny człowieka Roślina Gen Funkcja genu Działanie długofalowe Soja m.in. P53 (ogółem 123 geny) Niszczenie zmutowanych komórek Zwiększona aktywność genu hamuje powstawanie nowotworu Zawarte w soi białko lunazyna podwyŝsza aktywność 123 genów w gruczole krokowym, hamując wzrost nowotworu i zapoczątkowują proces naprawy uszkodzonego DNA.

63 Produkty roślinne bogate w składniki mające wpływ na geny człowieka Roślina Gen Funkcja genu Działanie długofalowe Kurkumina Cox-2 Udział w stanach zapalnych Pozwala zapobiegać powstawaniu raka jelita grubego, chorobie Alzheimera Kurkumina znajduje się w przyprawie curry wycisza geny odpowiedzialne za stany zapalne. Przeciwdziała powstaniu betaamyloidu w chorobie Alzheimera.

64 Jeśli coś wiesz, przyznaj, Ŝe wiesz. Gdy zaś czegoś nie wiesz, przyznaj, Ŝe nie wiesz. Oto prawdziwa wiedza. Konfucjusz ( p.n.e.)

65 Model -kultura komórkowa -mysz transgeniczna -organizm człowieka +/- odŝywianie bioaktywne Nutrigenomika badanie charakterystycznych zróŝnicowań transkrypcji sprowadza się do: -ścieŝek sygnałowych - czynników jądrowej transkrypcji - mechanizmów metabolizmu regulacji składników odŝywczych Analiza -transkryptomika -proteomika -metabolomika Biomarkery Cele, obiekty Bioaktywne składniki Biologia układów badanie kompleksowych zmian w złoŝonych parametrach sprowadza się do: - dynamicznego opisu zakłóceń homeostazy - badania wczesnych róŝnorodnych prewencyjnych biomarkerów - przyłącza nutrigenomikę do fizjologii Ŝywienia

66 Bioaktywne komponenty Ŝywności N U T R I G E N O M I K A Nutrigenetyka, epigenomika Ŝywieniowa, transkryptomika Ŝywieniowa, proteomika, metabolomika są niezbędne do zrozumienia roli Ŝywienia w karcinogenezie. Nutrigenetyka Epigenomika Ŝywieniowa Transkryptomika Ŝywieniowa Proteomika Metabolomika DNA RNA Białko Metabolit K A R C I N O G E N E Z A

67 Kombinacja molekularnego spojrzenia na Ŝywienie i nutrigenomiki

68 Stan zdrowia i choroby Genom człowieka Ekspresja genów & odpowiedź metaboliczna Czynniki środowiskowe Zapotrzebowanie na składniki odŝywcze SpoŜycie składników odŝywczych Interakcja pomiędzy genomem człowieka i Ŝywieniem.

69 Pro-karcinogen Błędy transkrypcji i mitozy Karcinogen Wolne rodniki Apoptoza Uszkodzenie genomu - mutacje - metylacje odbiegające od normy - uszkodzenia chromosomów - skrócenie telomerów Wstrzymanie cyklu komórkowego Naprawa DNA Nowotwory mogą wzrastać jeśli uszkodzenie genomu nie zostanie naprawione. Na wszystkie te procesy moŝe wpływać Ŝywienie.

70 Wybrane składniki bioaktywne, które mogą oddziaływać na komórki nowotworowe i ich zachowanie Klasa Bioaktywny składnik Źródło Ŝywieniowe Witaminy Składniki mineralne Karotenoidy Flawonoidy Siarka organiczna Izotiocyjaniany Witamina D Kwas foliowy Witamina A Witamina E Witamina C Wapń Selen Cynk Likopen Luteina beta-karoten Genisteina Rezweratrol Kwercetyna Allyl sulfur Diallyl sulphide Izotiocyjanian allylu sulforfan Produkty mleczne Warzywa Warzywa Oleje roślinne Warzywa, owoce Produkty mleczne, warzywa Ziarna zbóŝ, mięso, ryby Mięso, warzywa Pomidory Warzywa ciemnozielone Warzywa pomarańczowo-ŝółte Soja i produkty sojowe Winogrona i czerwone wino Warzywa, owoce Cebula i jej rodzina Czosnek Kapusta Brokuły Kwasy fenolowe Kurkumina Kwas chlorogenowy Curry, mustard Owoce, kawa, soja

71 Przykładowe geny analizowane w badaniach nad wpływem diety na czynniki genetyczne lub w innych badaniach Ŝywieniowych. Problem/związek Lipidy, dieta, palenie, płeć Lipidy, dieta, płeć Lipidy, dieta Akohol Dieta Gen Apolipoproteina A1 Apolipoproteina A4 Apolipoproteina Ab Receptor LDL Dehydrogenaza alkoholowa-3 Lipaza wątrobowa OMIM

72 Gen Przykłady interakcji dieta geny. Dieta Genotyp Aa1:Acr Ya1:Ycr Aa1:Ya1 Acr:Ycr Regulacja Cyclin MCS2 0,4 0,3 Genotyp N-Ras 2,7 3,2 Dieta CYP27 (hydroksylaza sterolu) 0,4 Dieta w 1 genotypie Receptor interleukiny-6 0,4 Genotyp w 1 diecie Kinaza-2 janus 0,1 10,4 Genotyp x środowisko Beta-łańcuchowa syntaza adenozyno trifosforanu 6,7 3,4 0,2 Genotyp x środowisko A agouti (A/a) mysz; Aa1:Acr, stosunek ekspresji genów w wątrobie z myszy agouti karmionej 100% kalorii podzielona przez ich ekspresję u agouti myszy karmionych dietą 70% kalorii; cr, ograniczenie kalorii (70% kalorii); Y; obese yellow myszy (Avy/A) myszy karmione ad libitum.

73 Wpływ róŝnych dawek witaminy C na metabolizm w organizmie świnek morskich rasy Hartley, u których rozwija się stan zapalny stawów i kości w okresie ich Ŝycia. Wyniki analizy wieloczynnikowej spektrum NMR składników moczu po usunięciu róŝnych egzo- i endogennych metabolitów witaminy C.

74

75 Określenie optymalnego stęŝenia mikroskładnika odŝywczego potrzebnego do stabilności genomu: badania in vitro Limfocyty, fibroblasty, komórki macierzyste Dawka-odpowiedź dla kaŝdego składnika odŝywczego stosując wyczerpujące oznaczenia CBMN w celu pomiaru linii bazowej stabilności genomu i wydolności naprawy DNA Optymalne stęŝenie mikroskładników odŝywczych dla stabilności genomu CBMN oznaczenie blokowania cytokinezy mikrojądra. Dawka odpowiedź wyznaczenie waŝne dla szacowania cytotoksyczności.

76 Określenie normy Ŝywienia dla stabilności genomu: badania in vivo Identyfikacja populacji wysokiego ryzyka (np. jednostki z wysokim stosunkiem uszkodzeń DNA i/lub posiadający niewydolny mechanizm naprawy DNA) Kontrola-placebo interwencja z podwyŝszonymi dawkami powyŝej wydłuŝonego okresu czasu, zaleŝna od stopnia obrotu metabolicznego w badanej tkance (np. 3 tygodnie dla komórek policzkowych) Oznaczenie uszkodzeń genomu stosując biomarkery uszkodzenia komplementarnego DNA w celu zidentyfikowania dawki mikroskładnika odŝywczego, dla którego określona jest osiągana stabilność genomu

77 How the genomics be a global solution to diseases caused by unhealthy foods, when most people have no access to sophisticated health care?

78 Piśmiennictwo Cousins R,J,, Blanchard R.K., Moore J.B., Cui L., Green C.L., Liuzzi J.P., Cao J., Bobo J.A. Regulation of zinc metabolism and genomic outcomes. J. Nutr. 2003, 133, 1521S-1526S. Davis C.D., Milner J. Frontiers in nutrigenomics, metabolomics and cancer prevention. Mutat. Res. 2004, 551, Fenech M. Nutritional treatment of genome instability: a paradigm shift in disease prevention and in the setting of recommended dietary allowances. Nutr. Res. Rev. 2003, 16, Green M.R., van der Ouderaa F. Nutrigenetics: where next for the foods industry. Pharmacogenomics J. 2003, 3, Kaput J. Diet-disease gene interactions. Nutrition 2004, 20, Kaput J., Rodriguez R.I. Nutritional genomics: the next frontier in the postgenomic era. Physiol. Genomics 2004, 16, Kornman K.S., Martha P.M., Duff G.W. Genetic variations and inflammation: a practical nutrigenomics opportunity. Nutrition 2004, 20, Mathers J.C. The biological revolution towards a mechanistic understanding of the impact of diet on cancer risk. Mutat. Res. 2004, 551, Milner J.A. Incorporating basic nutrition science into Health interventions for cancer prevention. J. Nutr. 2003, 133, 3820S-3826S. Milner J.A. Molecular targets for bioactive food components. J. Nutr. 2004, 134, 2492S-2498S. Muller M., Kersten S. Nutrigenomics: goals and strategies. Nature Rev. 2003, 4, Van Ommen B. Nutrigenomics: exploiting systems biology in the nutrition and health arenas. Nutrition, 2004, 20, 4-8. Ordovas J.M., Corella D. Nutritional genomics. Ann. Rev. Genomics Hum. Genet. 2004, 5, Roche H.M. Dietary lipids and gene expression. Biochem. Soc. Transac. 2004, 32, 6, Swanson K.S., Schook L.B., Fahey G.C. Jr. Nutritional genomics: implications for companion animals. J. Nutr. 2003, 133,

79 Zespół Szkół Gastronomicznych w Nawojowej im. Wincentego Witosa