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 nell’omeostasi) 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 dell’uomo lungo tutto il ciclo di vita.

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

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

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

9. L’importanza 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 attività 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 attività fisica Individui refrattari: trattamento farmacologico Il rimodellamento della cromatina o metilazione del DNA indotti da dieta sbilanciata contribuiscono all’irreversibilità della mutazione genica DMT2

14. La NUTRIGENOMICA è l’applicazione 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 può 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 gravità di patologie croniche. L'entità dell'influenza esercitata dalla dieta nell'equilibrio tra stato di salute e malattia, può 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

17. RECIPROCHE INTERAZIONI TRA NUTRIZIONE E GENOMA Le variazioni genetiche esistenti all’interno 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 diversità genetica umana, funzione del genoma e componenti dietetici consentirà di migliorare la salute umana e prevenire le malattie La nutrizione probabilmente ha rappresentato il fattore ambientale più 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 velocità di mutazione genica. I nutrienti possono influenzare anche la vitalità del feto e modificare la penetranza di mutazioni deleterie: la nutrizione in utero del feto può essere considerata la pressione selettiva che contribuisce alla fissazione di nuove mutazioni all’interno del genoma

20. MECCANISMO D’AZIONE 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 perciò alterare la concentrazione di substrati o intermedi; C. Influenzare positivamente o negativamente le vie di trasduzione di segnali cellulari.

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 può rappresentare un fattore di rischio per malattie La prima associazione tra l’intake di uno specifico alimento e una patologia risale al 1908 quando si scoprì che ratti nutriti a uova, latte e carne sviluppavano a livello di arterie lesioni simili all’aterosclerosi umana. Le associazioni tra colesterolo e ipercolesterolemia, tra ipercolesterolemia e aterosclerosi portarono l’attenzione al legame tra l’ammontare calorico e/o livelli e tipi di vitamine, grassi e carboidrati rispetto a patologie quali aterosclerosi, cancro, diabete, obesità ecc. I legami tra alimenti, geni e patologie multifattoriali sono difficili da chiarire come ad esempio dimostra il caso dell’associazione 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 l’avvento delle informazioni che ci provengono dal sequenziamento genomico e lo sviluppo di metodologie ad alto impatto tecnologico, è ora possibile analizzate i SNPs o altri polimorfismi anche in geni multipli. La possibilità 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 è dato dalle differenze nelle frequenze alleliche tra sottopopolazioni umane.

26. Si può considerare l’esempio del gene per la arilammina N-acetiltransferasi (NAT2) che è 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. L’allele lento è 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 più suscettibili al tumore alla vescica quando esposti ad agenti pro-ossidanti. Le frequenze alleliche di NAT2 fanno comprendere quanto è importante conoscere sia la distribuzione allelica nelle popolazioni sia le influenze ambientali.

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

29. MECCANISMO D’AZIONE DI SNP Un esempio semplice ma chiaro di come un SNP possa alterare l’espressione genica è il polimorfismo che altera la tolleranza al lattosio . Una mutazione verificatasi circa 9000 anni fa nel nord Europa ha modificato l’espressione del gene per la lattasi idrolasi ( locus LCH ). Benchè esistano 11 polimorfismi, classificati in 4 aplotipi differenti (A, B, C, U), un SNP chiamato C13910T localizzato 14 kb a monte del gene LCH è altamente associato con la tolleranza al lattosio. L’aplotipo A conferisce l’intolleranza 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 può conferire alcuni vantaggi selettivi che comprendono un’alimentazione 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 nell’enzima in grado di modificarne e alterarne l’affinità 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) dell’esone 11. Solo l’isoforma A è associata con iperinsulinemia .

32. SNPs ED ATTIVITÀ ENZIMATICA Un enzima chiave nel metabolismo androgenico della prostata, lo steroide 5  -reduttasi (SRD5A2), ha 13 varianti naturali all’interno della popolazione. Nove di queste varianti riducono del 20% o più l’attività del SRD5A2, mentre altre 3 varianti ne aumentano l’attività del 15%. Poiché SRD5A2 produce il diidrotestosterone, che a sua volta regola i geni prostatici, le varianti nel SRD5A2 possono influire positivamente o negativamente sull’insorgenza e gravità del tumore prostatico .

33. La metilazione a livello della Citosina è uno dei meccanismi legati alla attivazione/disattivazione del DNA. Alterazioni nel processo di metilazione, con le conseguenti alterazioni nell’espressione genica, possono avere importanti conseguenze per l’embriogenesi. Infatti le configurazioni di metilazione vengono definite già 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 l’eventuale supplementazione con folati o altri donatori di gruppi metilici può quindi alterare lo stato di metilazione del DNA nell’embrione. Tale azione sul genoma embrionale avrà conseguenze per tutta la vita dell’individuo. Variazioni dietetiche, metilazione del DNA e variazioni nell’espressione genica

34. Carenza in micronutrienti, danno al DNA e rimodulazione delle RDA carenze marginali in folato, vitamina B12, niacina e zinco antiossidanti quali vit. C, vit.E e carotenoidi possono influenzare la stabilità del genoma svolgono un’azione protettiva nei confronti di danni ossidativi a carico delle macromolecole biologiche. La validazione degli effetti protettivi di questi micronutrienti potrà 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 e rimodulazione delle RDA Le carenze in micronutrienti sono in grado di spiegare perché circa ¼ 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 più alti. Ad esempio una carenza delle vitamine B6, B12, acido folico, niacina, vit C, vit E, rame e ferro sembra mimare l’effetto 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% (< ½ RDA) non caratterizzato Cancro al colon, patologie cardiache, disfunzioni cerebrali, danno neuronale Vitamina B 6 10 % (< ½ RDA) non caratterizzato Cancro al colon, patologie cardiache, disfunzioni cerebrali. Vitamina C 15% (< ½ RDA) ossidazione DNA Cataratta (x 4) , cancro Vitamina E 20% (< ½ RDA) Radiazione-mimetico: ossidazione DNA Cancro al colon (2), patologie cardiache (x 1,5) disfunzioni immunitarie Ferro 7% (< ½ RDA) 19% donne 15-50 anni Rottura DNA, Radiazione-mimetico Disfunzioni immunitarie e al cervello; cancro Zinco 18% (< ½ RDA) Rottura cromosoma, radiazione-mimetico Disfunzioni immunitarie e al cervello; cancro Niacina 2% (< ½ RDA) Incapacità riparare DNA Sintomi neurologici, perdita di memoria

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

38. LA DIETA PUÒ RAPPRESENTARE UN FATTORE DI RISCHIO PER MALATTIE Diabete tipo II tipico in pazienti obesi e/o sedentari Cambiamenti nelle variabili ambientali  Attività fisica  Intake calorico  consumo grassi Controllo dell’espressione 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