Nutrigenomica-informatia matricei alimentare

Key – WordsInfofood (IFF), Iset Matrix, Informational Universal Matrix, Informational Food Matrix (IFM), Antropised Food, Nutrigenomics, Pharmacogenomics, Nutritional Phenotype, Proteomics, Metabolomics, Epigenetic Factors.

Key – WordsInfofood (IFF), Iset Matrix, Informational Universal Matrix, Informational Food Matrix (IFM), Antropised Food, Nutrigenomics, Pharmacogenomics, Nutritional Phenotype, Proteomics, Metabolomics, Epigenetic Factors.

Entitatile vii, inclusiv omul, sunt de natura informational – substantial – energetica cu existenta spatio-temporala. Hrana este un factor epigenetic major si joaca un important rol integrator. Fiintele, „condensari antientropice”, sunt entitati care prelucreaza informatia alimentului, factor de mediu epigenetic important in mentinerea functionalitatii sistemului si a integrarii sale in structurile superioare.

Rezulta ca una din calitatile esentiale ale alimentului este reprezentata de calitatea informatiei furnizate de acesta sistemului viu consumator. Mai mult, pentru ca dieta este mai importanta decat fiecare aliment luat separat, rezulta ca reteaua informationala a dietei are semnificatia biologica cea mai profunda pentru sanatatea individului si a speciei sale.

O noua stiinta se naste din biologia moleculara, revolutionand disciplina nutritiei umane. Nutrigenomica studiaza rolul nutrientilor in modularea expresiei genelor codante ale proteinelor, metabolis-melor, diferentierii celulare si cresterii celulare .

Pe aceasta baza s-au creat instrumente performante, precum testele de ADN sau tehnologia „Chipului Genetic” care permite urmarirea efectelor nutrientilor sau aditivilor alimentari asupra exprimarii genelor in celule, tesuturi, organe, organisme. Prin studierea efectelor nutrientilor si aditivilor la nivel molecular se poate evalua efectul acestora asupra cailor biochimice esentiale, raspunsului imun si consumului energetic (3).

Mijloacele nutrigenomicii permit cuantificarea efectelor unui singur nutrient cheie, spre exemplu, un microelement in matrici organice, asupra profilurilor de exprimare a miilor de gene.

Alimentele contin regulatori dieto-derivati ai expresiei genice care pot fi:

• nutrienti (ex. acizi grasi, seleniu, zinc);
• non-nutrienti (ex. fitochimicale, izoflavone);
• metaboliti ai componentilor alimentari (ex. eicosanoide, ac. retinoic);
• compusi rezultati in urma procesarii alimentelor (ex. amine heterociclice);
• produsi finali ai metabolismului bacterian intestinal (ex. acizi grasi cu lant scurt).

Controlul expresiei genice poate fi realizat de catre un singur nutrient component al alimentelor, dar, de regula, acest control este complex, exercitandu-se prin interconexiunile dintre nutrienti (ex. retinoizi si acizi grasi) sau nutrienti si hormoni (hormonul tiroidian si acizi grasi).

INTERACTIUNILE GENE – DIETA

Componentii nutrienti si non-nutrienti din alimente interactioneaza cu genele, influentand con centratia si functiunile proteinelor celulare prin reglarea expresiei genice la diferite nivele: transcriptia genica, stabilitatea ARNm, translatia si post-translatia ARNm.

Concentratia proteinelor sintetizate in sistemele celulare este determinata de rata cu care sunt realizate copiile de ARNm, in procesul de transcriere.

Aceasta rata de sinteza este conditionata de legarea factorilor de transcriptie la secventa de recunoastere specifica a ADN-ului, aflata la capatul 5′ al genelor.

FACTORII DE TRANSCRIPTIE GENICA

Un exemplu de reglare – nutrient a concentratiei factorilor de transcriptie poate fi mecanismul de reglare al lipidelor:

• pentru colesterol este regulator – sterol elementul de cuplare al proteinei-2 (SREBP-2);
• pentru acizii grasi polinesaturati (PUFA) regulator – elementul de cuplare al proteinei-1 (SREBP-1).

Precursorul inactiv al moleculelor reglatoare SREBP este localizat in membrana celulara si in reticulul endoplasmic. Forma activa a moleculei reglatoare este eliberata in doua stadii de scindare a moleculei precursoare.

Eliberarea moleculei mature de SREBP este inalt dependenta de concentratia colesterolului si probabil de compozitia in acizi grasi a reticulului endoplasmic. Cand nivelul de colesterol sau PUFA din reticulul endoplasmic este ridicat, eliberarea factorului de transcriptie SREBP este nesemnificativa. In cazul in care concentratiile de colesterol sau PUFA sunt scazute, rata de eliberare a factorului de transcriptie matur SREBP creste.

Modificarile in eliberarea factorului de transcritie SREBP sunt strans corelate cu modificarile ratei de transcriptie a genelor colesterogenice si lipogenice.

Constituientii alimentari exercita astfel, o puternica influenta asupra afinitatii factorilor de transcriptie pentru secventele de recunoastere specifica a ADN-ului. Factorii lipofili si metabolitii lor moduleaza activitatea factorului de transcriptie ADN-cuplare.

RECEPTORII CELULARI

Receptorii joaca un rol esential in semnalizarea chimica inter si intra-celulara. Legarea unui neurotransmitator, hormon, medicament, nutrient, mesager intracelular de receptor influenteaza una sau mai multe functii celulare, spre exemplu, transcriptia genica sau permeabilitatea membranei.

Receptorii sunt localizati in:

• membrana plasmatica – pentru neuro-transmitatori, citokine, hormonii circulanti;
• organele nemembranare – pentru transductia Ca2+;
• citosol – actionand ca factori de transcriptie ligand dependenti, migrand in nucleu dupa fixarea de ligand. Liganzii acestui tip de receptori pot fi steroizi sau alti hormoni liposolubili.

Agonistii sunt liganzi cuplati la receptori care devin activi exprimand un raspuns biologic, iar invers, antagonistii reduc exprimarea raspunsului biologic. Antagonistii sunt medicamente care reduc actiunea altor medicamente, care sunt deseori agonisti.

Regiunea macromoleculei receptor, care leaga agonistul endogen, reprezinta centrul de recunoastere al receptorului.

Receptorii pot fi clasificati in patru clase structurale:

• receptori ion-tunel (Ion – Channel);
• receptori cuplati G-protein (GPCRS – G-protein complex receptors) cu sapte domenii trans-membranare;
• receptori asociati enzimelor (Enzyme-associated receptors);
• receptori reglatori ai transcriptiei genice.

Receptorii sunt implicati in reglarea tuturor functiilor biologice, iar exprimarea lor calitativa si cantitativa este rezultatul interactiunilor dintre factorii genetici si epigenetici. Alimentele sunt unii dintre cei mai puternici factori epigenetici, ele fiind parti de mediu inconjurator, care vehiculeaza informatii esentiale, pentru integrarea entitatilor vii (inclusiv omul) in ecosisteme si Biosfera. De aceea, alimentele determina starea de sanatate sau boala, de echilibru dinamic (anti-entropic) sau dezechilibru si evolutie entropica a entitatilor vii (moarte).

In prezent, se desfasoara cercetari intense pentru a descoperi potentiali nutrienti sau non-nutrienti din alimente, care interactioneaza cu receptorii celulari relevanti si pot imbunatati starea de sanatate si confort al consumatorilor. O directie importanta de cercetare este reprezentata de studiul receptorilor GPCRS, deoarece acestia sunt capabili de a comunica cu „lumea exterioara” fiind implicati in procesele de vedere, miros, gust, aroma, auz, alte simturi. Numeroase secvente de ADN sunt reglate de GENOME – GPCRS care se pot cupla cu liganzi naturali. Acestea sunt denumite orphan GPCRS. Malfunctiile receptorilor GPCRS sunt cauza unui numar enorm de boli si se spera descoperirea unor alimente sau medicamente care sa corecteze aceste disfunctii, vindecand maladiile determinate de acestia.

Astazi este descrisa o familie larga de receptori celulari steroid-dependenti, incluzand:

• receptorii retinoizi – receptorul pentru vita-mina D3;
• receptorii de activare peroxizom – prolifera-tor (PPARS).

Acesti receptori joaca un rol esential ca regulatori ai genelor implicate in: diferentierea celulara, metabolismul energetic si al lipidelor, raspunsul inflamator, formarea placii aterosclerotice, cancer. Activarea factorului PPAR este determinata de: acizii grasi omega-3 si omega-6, acizii lino leici conjugati (CLA), prostaglandine, leukotriene, acizi grasi oxidati. Fosforilarea si defosforilarea proteinelor este reglata de activitatea proteinkinazelor specifice si fosfatazelor, care sunt de asemenea modulatori ai activitatii ADNului pentru numerosi factori de transcriptie. Mai mult, actionand direct asupra kinazelor sau fosfatazelor, factorii alimentari pot influenta activitatea de cuplare a ADN-ului, afectand statusul redox al celulelor. Antioxidanti ca vitamina E pot proteja celula impotriva stresului oxidativ, prevenind initierea stresului generat de calea kinazei. Pe de alta parte, antioxidanti ca glutationul pot creste activitatea de cuplare a ADNului pentru factorii de transcriptie, protejand statusul lor oxidativ.Unii nutrienti sunt implicati in reglarea miscarii ARNm in citosol, iar glucoza si PUFAS moduleaza mecanismele de procesare a ARNm (8).

ALIMENTATIA SI STABILITATEA ARNm

Cantitatea si stabilitatea ARNm transcris, depinde de semnalele citosolice.Exemple de reglare prin dieta a cantitatii si stabilitatii ARNm transcris sunt:

• stabilizarea ARNm – sintetazei acizilor grasi de catre glucoza;
• stabilizarea glutation peroxidazei de catre seleniu (Se);
• destabilizarea ARNm – transferin receptorului de catre fier (Fe).

Cand concentratia celulara a fierului este scazuta, Proteinele Regulatoare cupleaza fierul si sporesc stabilitatea de transcriptie. Invers, cuplarea fierului accelereaza degradarea Transferin Receptorului ARNm.

ALIMENTATIA SI BIOSINTEZA PROTEINELOR PRIN TRANSLATIA ARNm

Proteinele specifice organismului sunt biosintetizate pornind de la matrita de ARNm, care necesita legarea de ribozomi pentru ca apoi sa-i poata fi citit mesajul bioinformatic. Factorii alimentari moduleaza acest proces, spre exemplu, blocand legarea ARNm de ribozomi, modificand afinitatea pentru situl de initiere sau rata de elongatie a peptidei. Lipsa aminoacizilor este de asemenea un factor cheie de reducere sau stopare a elongatiei peptidelor. Un exemplu de astfel de factor alimentar (nutritiv) este statusul Fierului, care poate inhiba translatia feritinei. Dieta joaca un rol important in procesul de translatie al ARNm implicat in biosinteza proteinelor, inclusiv a celor enzimatice, cum sunt kinazele, fosfatazele si proteinele ribozomale

DIETA SI MODIFICARILE POST-TRANSLATIONALE ALE PROTEINELOR

Proteinele rezultate in urma procesului translational sufera o serie de modificari:

• fosforilare – defosforilare;
• acilare;
• acetilare;
• metilare,
• glicozilare;
• scindari proteolitice;
• cuplarea mineralelor sau vitaminelor la proteine determinand conversia apoenzimei in holoenzima activa (ex.: cuplarea Mn la arginaza, cuplarea tiaminei la piridoxin-dehidrogenaza).

Fiecare din aceste modificari Post-Translationale pot fi reglate de constituentii alimentari. Pe de alta parte orice defect al mecanismului post-translationale, poate determina schimbari majore in metabolism sau in functionarea celulelor.

VARIABILITATEA GENETICA A POPULATIILOR UMANE SI DIETA

Polimorfismul genetic se manifesta in populatiile umane, in special sub forma polimorfismului mononucleotidic (Single Nucleotide Polymorphisms – SNPS) si consta in substitutia unui singur nucleotid in secventa de ADN ( ex.: secventa ACGT poate fi inlocuita cu secventa AGGT).

Cantitatea si functiile proteinelor pot fi alterate prin mutatii genetice de tip SNPs. Aceste mutatii pot afecta oricare din numeroasele etape de con-versie a codului genetic in proteine. Subtile mecanisme ale polimorfismului genetic, se manifesta atunci cand au loc variatii ale secventei de ADN, in regiuni non-transcriptibile ale genelor, afectand controlul transcriptiei genice, stabilitatea ARNm sau rata de translatie. Polimorfismul genetic cu semnificatie nutritionala are consecinte importante asupra sanatatii umane.

In prezent, se cunosc bine cerintele nutritionale pentru folatii alimentari. Afectarea genei codante pentru enzima cheie Metilen – Tetrahidrofolat Reductaza (MTHFR) prin inlocuirea plimorfica a unei singure baze de Citozina cu Timidina, determina schimbarea codonului care codifica alanina cu valina. Aceasta aparent minora schimbare in secventa de aminoacizi, reduce termostabilitatea enzimei. Toti indivizii mutanti homozigoti sintetizeaza MTHFR cu activitate scazuta dar cu niveluri plasmatice de homocisteina ridicate, corelandu-se cu un inalt risc de aparitie a aterosclerozei.

Suplimentarea dietei cu Folati determina scaderea nivelului plasmatic al homocisteinei, ceea ce are un efect de preventie a aparitiei aterosclerozei. Aceasta demonstreaza faptul ca este suficienta o singura substitutie a unei baze azotate in ADN, pentru a determina un efect fenotipic semnificativ, in expresia si functionarea proteinelor.

Una dintre cele mai raspandite disfunctii ere ditare cu implicatii nutritionale este Hipercoleste rolemia Familiala. Aceasta este cauzata de mutatii care afecteaza gena codanta pentru RECEPTORII lipoproteinelor cu masa moleculara mica (low – density lipoprotein LDL). Mutatia in stare heterozigota afecteaza 1 din 500 de persoane, inducand dezordini in clearance-ul colesterolului, care tinde sa creasca peste valori de 7,76 mmol/L. La persoanele homozigote pentru aceasta mutatie, nivelul colesterolului creste de la varste foarte tinere, reducand speranta de viata.

Polimorfismul genetic se manifesta destul de frecvent in sfera Lipoproteinelor, afectand in special Gena Apolipoproteinei apo – E. Apo – E este implicata in transportul Lipidelor Receptor – Mediate din chilomicroni si in cel al Lipoproteinelor de foarte joasa densitate (VLDL). Biosinteza si secretia Apo – E sunt stimulate de consumul grasimilor alimentare saturate, fiind un exemplu tipic de impact al dietei asupra polimorfismului genetic.

Apo – E, MTHFR si receptorul LDL sunt doar cateva exemple ale polimorfismului genetic care afecteaza sanatatea umana prin dezvoltarea bolilor cardiovasculare, in directa corelatie cu factorii alimentari si comportamentul alimentar.

Polimorfismul care afecteaza Regiunile non-transcriptibile ale genelor produce efecte fenotipice si mai subtile, deoarece determina limitari la nivelul expresiei proteinelor si nu alterari ale proteinelor insasi. Un exemplu de modificare in regiunile non-transcriptibile ale genei este schimbarea intervenita in gena codanta a apo – B. In cadrul acestei gene substituirea citozinei cu timidina in pozitia 516, are ca efect cresterea transcriptiei acesteia cu 40%, homozigotii pentru alelele timidina avand un ni vel al LDL cu 12% mai ridicat, marind riscul aparitiei maladiilor cardiovasculare.

Polimorfismul manifestat in reglarea genei lipazei hepatice cauzat de SNP (substitutia citozinei cu timidina, nucleotid 514), determina aparitia unor diferente majore in raspunsul biosintezei HDL la consumul de grasimi alimentare. Se cunoaste faptul ca un nivel optim al HDL are un efect puternic protector asupra riscului de a dezvolta boli cardiovasculare. Un alt exemplu de Polimorfism mononucleotidic (SNP) consta in substituirea nucleotidului din pozitia 491 in gena apo – E. Aceasta mutatie mareste dramatic transcriptia genei apo – E, sporind semnificativ riscul dezvoltarii maladiei Alzheimer.

Epigenetica studiaza modificarile genomului produse de factori negenetici interni sau externi (ex.: alimente, metaboliti etc.), prin alterari ale ADN-ului de tipul metilarilor si modificarilor post-translationale in octetul proteinelor histonice (fosforilari, metilari, acilari) si nu modificari ale secventei primare de nucleotide.

Spre exemplu, cand metilarea are loc in ansamblu de baze citozina – guanina aflate in regiunea promoter a unei gene, se produce fenomenul de silentiere, cu stoparea biosintezei ARNm si proteinei corespunzatoare codate de gena respectiva. Sub influenta factorilor alimentari epigenetici pot avea loc metilari anormale, care sunt implicate in fenomenele de imbatranire si aparitia a numeroase maladii incluzand: cancerele, boli cardiovasculare, metabolice, degenerative (Alzheimer, Parkinson) s.a..

Aceste modificari chimice sunt de fapt semnale epigenetice care regleaza expresia genica.Proteinele histonice joaca un rol extrem de important in integrarea de catre genom a semnalelor interne (genetice) cu semnalele externe (epigenetice) reprezentand una din caile majore de modulare a expresiei genice si modificare a fenotipului.

Aceste descoperiri fac posibila elaborarea unor regimuri nutritionale (terapie nutritionala, nutritie farmacologica) care sa mentina o stare de metilare normala a adn-ului, cu consecinte extrem de benefice pentru preventia maladiilor si pastrarea sanatatii pe termen lung.

Aplicarea tehnologiei genomice in domeniul nutritiei umane si cercetarii biochimice ofera un instrument puternic de intelegere a mecanis melor prin care un aliment sau nutrient moduleaza expresia fenotipica a consumatorului (fenotipul nutritional).

Cercetarile actuale incearca sa raspunda la urmatoarele probleme:

• care componente ale dietei au un efect relevant asupra promovarii starii de sanatate;
• cum, unde si cand sunt exercitate aceste efecte;
• cum pot unele componente alimentare sa manifeste si efecte adverse;
• cat de mult, in ce forma si combinatie avem nevoie sa consumam astfel de componente pentru a obtine un maximum de beneficii pentru sanatate, cu un risc minim;
• cum proiectam dieta individuala in functie de profilul genetic, varsta, genitori si stil de viata.

La baza evaluarii statusului nutritional al omului, trebuie sa stea fenotipul nutritional al acestuia, abordat ca „un set integrat al caracteristicilor genetice, proteomice, metabolomice, functionale si de comportament, la interactiunea genom – aliment (factor epigenetic), cuantificabil”.

Raspunsurile la aceste probleme nu pot fi gasite decat printr-o abordare holistica a vietii si omului de catre echipe complexe de specialisti in biologie moleculara, geneticieni, nutritionisti, clinicieni, bio-informaticieni s.a.