Nutrigenomica

Nutrigenomica

Il cibo è costituito da vari composti: macronutrienti e micronutrienti. I macronutrienti sono carboidrati, proteine, lipidi. I micronutrienti sono vitamine e minerali. I vari componenti del cibo vengono degradati in quelli che sono i mattoni che costituiscono gli alimenti stessi (ad esempio i carboidrati a glucosio); i nutrienti entrano nel ciclo del metabolismo, cioè anabolismo e catabolismo. Quindi possono essere utilizzati o per produrre energia o per sintetizzare delle macromolecole. Vengono sintetizzate molecole per la crescita o per immagazzinare energia.

Quando i nutrienti vengono utilizzati per produrre energia, si ha anche la sintesi di una serie di sottoprodotti come lattato, radicali liberi, anidride carbonica ed urea e vengono eliminati da diversi organi del corpo. Tutti i processi che avvengono devono essere strettamente controllati da cascate di enzimi ben regolate. I vari composti della dieta non sono solo indispensabili per energia, ma hanno anche funzione di segnalazione per regolare l’omeostasi dell’organismo, soprattutto per tutta una serie di composti detti bioattivi (ad esempio acidi grassi, ormoni steroidei).

Composti bioattivi possono avere un ruolo di segnalazione sull’apparato endocrino (tessuti o organi distanti), o molecole di segnalazione paracrini (tessuti o organi vicini in comunicazione tra di loro), oppure segnali autocrini (cioè molecole di segnalazione interno alla cellula stessa). Il composto può essere già bioattivo, oppure viene reso bioattivo mediante una serie di processi metabolici. Si possono avere macronutrienti o micronutrienti che possono agire come cofattori di enzimi, oppure possono agire come ligandi dei recettori nucleari.

I recettori nucleari sono una particolare categoria di fattori di trascrizione, ovvero proteine indispensabili per il processo di trascrizione che regolano l’espressione genica. Alcuni nutrienti possono dar luogo a processi di trasduzione del segnale, la maggior parte dei recettori sono localizzati nella membrana plasmatica. Una volta legati, questi recettori innescano una serie di processi che rientrano nei meccanismi a cascata, si parla quindi di vie di trasduzione del segnale, che portano in ultima analisi ad agire sui fattori di trascrizione e di conseguenza sull’espressione genica.

I nutrienti o la mancanza di nutrienti può influenzare il genoma, e viceversa il genoma può influenzare la risposta alla dieta. Quando ci nutriamo di un alimento, i componenti di quell’alimento vanno a modificare il genoma. La nutrigenomica studia quindi l’interazione non sui singoli geni, ma sull’insieme di geni del genoma; queste interazioni possono essere utilizzati per mettere a punto strumenti diagnostici, che consentono di vedere come cambia l’omeostasi dell’organismo a seconda della dieta.

Tecnologie ohmiche

Gli studi prima avevano come obiettivo studiare un gene, una proteina, un trascritto. Nei decenni passati sia nell’ambito della biologia molecolare che della biochimica, gli studi erano appunto incentrati su un gene, una proteina, un trascritto. Poi c’è stata l’evoluzione ohmica grazie a queste tecnologie ohmiche.

L’evoluzione ohmica, grazie allo sviluppo di queste tecnologie, ha reso possibile passare allo studio dell’intero genoma, dell’intero materiale genetico che costituisce un organismo. Quindi si è passato al concetto di genoma, trascrittoma, proteoma.

Genomica

Lo studio dei genomi, cioè l’insieme completo del materiale genetico di un organismo. Si occupa anche della struttura, della funzione, del confronto e dell’evoluzione dei genomi. Nello studio genomico non viene sequenziato solamente il genoma umano ma anche quello di altri organismi per fare un approccio comparativo. Per capire bene il genoma umano, non è stato sufficiente sequenziare solamente il genoma umano, ma anche quello di altri organismi perché l’approccio comparativo ci permette di capire meglio.

Metagenomica

Gli studi di metagenomica permettono di estrarre il materiale genetico in un campione ambientale ad esempio campione del suolo, acqua marina, acqua dolce, o uno striscio sulla pelle, sul cavo orale. Si intende un mix di materiale genetici che proviene da una comunità di microrganismi che è stata prelevata su un campione ambientale.

Metabolomica

Tutti i composti metabolici del metabolismo intermedio, metaboliti secondari etc. che vengono prodotti da una cellula o tessuto. L’intero contenuto metabolico di una cellula o tessuto in un dato momento.

Proteomica

Lo studio dei proteomi, cioè l’insieme completo di proteine in una cellula o in un tessuto in un dato momento. Tenta di determinare il loro ruolo all’interno delle cellule e le molecole con cui interagiscono.

Trascrittomica

Ogni componente della dieta va ad influenzare il genoma innanzitutto alterando l’espressione genica. Quindi andando ad analizzare il trascrittoma possiamo vedere quali geni sono attivati, disattivati o modulati da alcuni componenti della dieta. È inteso quindi come lo studio della collezione completa di trascritti in una cellula o in un tessuto in un dato momento.

Metabolomica, proteomica e trascrittomica sono inserite in blu perché sono caratteristiche dinamiche. Il genoma in un organismo come il nostro, è sempre lo stesso in tutte le cellule. Ci sono però cellule diverse nel nostro organismo. Pur essendo il materiale genetico identico, in ciascun tipo cellulare vengono espressi determinati geni. Quando parliamo ad esempio di trascrittomica, parliamo di trascritti prodotti da una specifica cellula che si trova in specifiche condizioni. Il trascrittoma ed il proteoma sono quindi in condizioni dinamiche, i geni saranno quindi differenti a seconda dello stato fisiologico della cellula ad esempio. È quindi tutto definito dallo stato delle cellule e dallo stato fisiologico della cellula.

È risultato più interessante trattare il trascrittoma, poiché ci fa capire come i componenti della dieta possono attivare o disattivare dei geni e quindi capire come questi possono interferire con l’espressione genica. I fattori di trascrizione sono come dei sensori che possono andare a regolare il processo di trascrizione. Possono essere stimolati da segnali indotti dal cibo, dalla dieta, da metaboliti derivanti dal cibo, da ormoni, da trattamenti farmacologici. I fattori di trascrizione agendo come sensori regolano e modulano la trascrizione. Nella ricerca sulla nutrizione, la trascrittomica fornisce delle informazioni importanti sul meccanismo mediante il quale un particolare nutriente altera l’espressione genica.

Metabolomica

Anche per la metabolomica, abbiamo tutti i processi chimici che coinvolgono metaboliti, quindi delle vie metaboliche e dei metaboliti. I metaboliti sono prodotti finali dei processi cellulari. Il metaboloma rappresenta la raccolta completa di tutti i metaboliti di piccole cellule (come intermedi metabolici, metaboliti secondari, ormoni, e altre molecole di segnalazione) in una cellula, tessuto, organo, o organismo biologico in un dato momento.

Nell’era genomica, in un lasso di tempo breve, si è iniziato a sequenziare tanti genomi diversi. I primi furono quelli batterici essendo più piccoli. Nel 1995 il primo fu quello di Haemophilus influentiae, seguito da Mycoplasma genitalium. Sono batteri che possono provocare delle infezioni. Nel tempo via via si è passati al sequenziamento di genomi più grandi grazie anche allo sviluppo delle tecnologie. Per decifrare il genoma umano è stato fondamentale applicare l’approccio comparativo tra il genoma umano e quello di altri organismi.

Vi è stato un avanzamento contemporaneo sia delle tecniche di sequenziamento che dell’informatica. Con le tecniche ohmiche si producono una grande quantità di dati che devono essere elaborati. Nasce quindi l’esigenza anche di capire come utilizzare questi dati, come interpretarli. Nasce quindi una disciplina, la bioinformatica, che permette di conservare ed immagazzinare dati biologici: sequenze di DNA, RNA, sequenze di proteine, ma anche meta-dati cioè informazioni che descrivono un campione, per esempio i trascritti sono stati prodotti da quale tipo cellulare ecc.

Vengono conservati in maniera ordinata, in modo tale che li possa ricercare facilmente ed interpretarli. Vi è stato quindi uno sviluppo contemporaneo delle tecniche di sequenziamento e dell’informatica. I nutrienti, o la loro mancanza, possono influenzare l’espressione genica e l’evoluzione del genoma, ma il genoma e la sua espressione influenzano anche la risposta dietetica.

Le indagini nutrigenomiche possono fornire informazioni di base sull’interazione tra nutrizione e genoma, ma possono anche fungere da strumento diagnostico per i cambiamenti indotti dai nutrienti nell’omeostasi. In nutrigenomica, le tecniche ohmiche ad alto rendimento sono applicate nella ricerca sulla nutrizione.

Vediamo come i componenti della dieta, possono andare direttamente ad agire sui fattori di trascrizione portando ad una variazione dell’espressione genica. Nella via A i nutrienti agiscono come ligandi di fattori di trascrizione. Nella via B in figura vediamo invece che i nutrienti possono agire come modulatori di fattori di trascrizione dopo una conversione chimica in vie metaboliche. Nella via C i nutrienti fungono da attivatori di trasduzione del segnale a cascate. Nella via D che non è rappresentata in figura, i nutrienti alterano la struttura della cromatina (nutriepigenomica). Alcuni nutrienti infatti possono andare ad alterare la struttura della cromatina, cioè il DNA associato agli istoni. Lo stato della cromatina, più o meno compatta, è alla base della regolazione genica. Se la cromatina è più compatta, non è accessibile all’apparato di trascrizione, se la cromatina è meno compatta è più facilmente accessibile. Queste alterazioni rientrano negli studi di epigenomica.

Nutrigenomica personalizzata

Per nutriepigenomica si intendono tutti gli studi di come i nutrienti possono determinare un maggiore o minore compattamento dell’organizzazione della cromatina. L’obiettivo ultimo è arrivare ad una nutrizione personalizzata, tenendo conto dello stile di vita, variabilità genetica, vie metaboliche, in modo tale da poter suggerire ad ogni individuo una dieta personalizzata.

Questo vale soprattutto per chi ha delle predisposizioni o rischi di malattie correlate alla dieta, esempio malattie cardiovascolari, obesità, sovrappeso, diabete di tipo 2. Per arrivare ad una dieta personalizzata dobbiamo però avere tutte le informazioni soprattutto di come i componenti della dieta possono influenzare il genoma e viceversa.

Noi possiamo fare degli studi a livello di singole cellule su organismo modello, possiamo andare a determinare dei biomarcatori, che ci danno informazioni ben precise su come l’alimentazione ha modificato il nostro organismo. Una volta identificati questi biomarcatori, possono essere applicati a studi sull’ambito umano. Possiamo fare degli esperimenti per analizzare il genoma, il trascrittoma, il metaboloma, il proteoma, per interpretare i dati in maniera integrata e associarli ai componenti della dieta, ai nutrienti. Facendo questi esperimenti su delle colture cellulari possiamo andare a definire biomarker correlati a dei particolari tipi di dieta, che possono dare delle informazioni anche sullo stato di salute dell’individuo, se danno dei risultati anomali possono essere correlati a dei problemi dello stato di salute dell’individuo.

Tecniche ohmiche

• Sequenziamento massivo di molecole di DNA, RNA mediante tecnologie di Next generation sequencing, è attualmente molto più avanzato delle tecnologie proteomiche e metabolomiche. Tuttavia i dati sul proteoma e metaboloma consentono misure più precise di uno stato fisiologico.
• Proteoma: tecnologie complesse e costose; LC-MS/MS cromatografia liquida mista alla spettrometria di massa. Analizzare e separare fino a 5000 proteine diverse presenti però nella cellula.
• Metaboloma: studi complessi, tecniche cromatografiche associate a spettrometria di massa. Cromatografia liquida. L’analisi dei metaboliti viene eseguita per poche centinaia di metaboliti, tramite gascromatografia-spettrometria di massa GC-MS, o non mirata per il rilevamento di diverse migliaia di molecole diverse, tramite cromatografia liquida- spettrometria di massa LC-MS.

Approccio integrato nutrigenomica

Per genomica intendiamo tutte le scienze ohmiche; i concetti base riguardano quindi l’importanza dei vari composti presenti nel cibo e l’influenza di essi sul funzionamento del genoma e sull’evoluzione del genoma; allo stesso tempo anche il genoma influenza come l’organismo risponde all’acquisizione di nutrienti. Micronutrienti e macronutrienti possono essere potenti segnali dietetici che influenzano la programmazione metabolica delle cellule e svolgono un ruolo nel controllo dell’omeostasi. La predisposizione genetica può aiutare a contribuire in modo importante alle principali cause di mortalità legate alla dieta. Sono state identificate una serie di predisposizioni genetiche che legano la dieta alla mortalità ed all’insorgenza di una serie di malattie.

Nutrigenomica: Questa disciplina è nata solo recentemente; non c’è una definizione ben precisa. È la scienza che esamina le risposte dell’individuo ai componenti del cibo usando studi di genomica, post genomica e tecniche ohmiche. Noi possiamo analizzare la risposta dell’individuo alle varie componenti del cibo. Si parla di approccio integrato, andando a correlare informazioni derivanti da vari esperimenti. Queste tecnologie ohmiche ad alto rendimento sono molto sviluppate per dati di sequenza di acidi nucleici, dal metodo di Sanger fino ad altre tecnologie dette di nuova generazione. Queste tecnologie hanno consentito di incrementare i dati di sequenza degli acidi nucleici. Le tecnologie del proteoma e del metaboloma sono ancora meno sviluppate, sono più complesse, sono parzialmente automatizzate, sono costose ed elaboriose.

È importante correlare la dieta con il genoma, il trascrittoma ed il proteoma, ed il metaboloma. Il genoma si può dire entità fissa, mentre proteoma, metaboloma e trascrittoma sono entità dinamiche. Possiamo parlare oltre che di nutrigenomica si può parlare anche di nutritrascrittomica che viene però incluso negli studi di nutrigenomica. La nutrigenomica si concentra sugli effetti delle componenti del cibo sull’espressione genica. La nutrigenetica in parte si sovrappone alla nutrigenomica. Nell’ambito della genetica, questa studia ugualmente le caratteristiche degli acidi nucleici e di come l’informazione genetica è immagazzinata nell’organismo. Nella biologia molecolare si valutano gli effetti della variazione genetica.

Nutrigenetica

Nella nutrigenetica si valutano quindi gli effetti della variabilità genetica individuale sul modo in cui l’individuo risponde alla dieta e studi che hanno il compito di andare a definire il rischio di insorgenza di malattie croniche che sono correlate alla nutrizione. La nutrigenetica è la scienza che studia la correlazione tra singoli geni e singoli composti presenti negli alimenti, andando a determinare quella che è la relazione tra variabilità genetica individuale e la dieta. Esamina quindi l’effetto della variazione genetica sull’interazione tra dieta e malattia o sui fabbisogni di nutrienti. La genetica che ha un ruolo importante nel determinare il rischio di un individuo di sviluppare una determinata malattia. Ad esempio le differenze nei polimorfismi a singolo nucleotide detti SNP possono avere un effetto importante sul rischio di malattia.

Nutrigenomica

È incentrata invece sull’effetto dei nutrienti sul genoma, trascrittoma, proteoma, metaboloma, analizzati attraverso le tecniche Ohmiche. La genomica è la scienza che studia il genoma andando a studiare non solo singoli componenti del genoma ma anche la struttura del genoma, cioè il modo in cui i componenti sono correlati tra di loro, vi è anche uno studio comparativo per decodificare le sequenze nucleotidiche, e come evolvono i genomi. Possiamo poi distinguere due branche: genomica strutturale e genomica funzionale.

Genomica strutturale

Studio della struttura del genoma, identificare le varie categorie geniche, elementi di regolazione del processo di trascrizione, replicazione, traduzione, stabilità cromosomale (telomeri e centromeri), e studi sulle sequenze ripetute (genomi umani e animali sono molto ricchi di sequenze ripetute).

Genomica funzionale

Relazione tra i componenti che sono importanti per il funzionamento del genoma stesso. Come i vari componenti del genoma devono interagire l’uno con l’altro. Andiamo a studiare la funzione del singolo gene, e le interazioni tra geni, l’interazione con diverse vie metaboliche e i vari meccanismi di regolazione genica.

Concetti base della genomica

Era genomica - 1995: data di pubblicazione per primo genoma procariotico. (Haemophilus influenzae). C’è stato nel corso degli anni un incremento di tipo esponenziale. Anche dopo il sequenziamento del genoma umano si è continuato a sequenziare altri genomi di altri organismi. Anche oggi sono ancora in corso progetti e ricerche internazionali che hanno l’obiettivo di sequenziare il genoma della maggior parte degli organismi presenti sulla terra, importanti anche per lo studio della biodiversità del pianeta.

Ma inizialmente venivano segnalati soprattutto organismi modello, che erano caratterizzati da facilità di manipolazione e disponibilità di dati genetici, oppure modelli di studio per malattie umane, modelli di studio per specifici processi biologici, altri modelli animali usati per studi di biologia dello sviluppo, oppure il mollusco Aplysia per studi di neurobiologia e metilazione del DNA. L’approccio comparativo permette di identificare le sequenze evolutivamente conservate, ed è importante per decodificare il messaggio genetico e capire le funzioni svolte dalle varie porzioni del genoma.