Malattie correlate all'alimentazione (Cairo)

Malattie correlate all'alimentazione – Cairo

Lezione 1

Patologia

Patologia: scienza che studia i processi basilari comuni a molte malattie, tenendo come base di riferimento la cellula; introduce il concetto di una condizione che diminuisce la probabilità di sopravvivenza di un individuo allontanandolo dalle condizioni di omeostasi. Essa studia:

• Eziologia: le cause della malattia, che possono essere intrinseche (legate al patrimonio genetico) o acquisite, cioè infettive (batteri e virus), fisiche (radiazioni, T ambientali), chimiche (sostanze cancerogene e veleni) o nutrizionali (calorie, proteine e O₂).
• L'ambiente influenza il passaggio da genotipo (informazione contenuta nei geni) a fenotipo (informazione in cellule, tessuti e organismi). Quindi sia i geni che l'ambiente determinano l'insorgenza e l'evoluzione delle malattie.
• Patogenesi: meccanismi di insorgenza delle malattie
• Alterazioni morfologiche e funzionali della malattia

Fisiopatologia: studia le varie patologie d’organo. Le cellule possiedono una notevole capacità di adattamento, attraverso la quale modulano le loro funzioni raggiungendo l’omeostasi e la riserva funzionale rappresenta la differenza tra la massima capacità di esercitare una certa funzione e la capacità fornita in condizioni medio o di riposo. Si hanno vari meccanismi di adattamento e, se c’è troppa richiesta e la capacità di adattamento viene superata, si ha una malattia.

Malattie genetiche

Le malattie genetiche sono caratterizzate dalla presenza di una mutazione nelle cellule germinali, derivata da uno o entrambi i genitori, e presente in tutte le altre cellule. Si possono distinguere a seconda delle dimensioni e delle entità delle alterazioni in:

• Genomiche: alterazioni di gran parti di genoma, spesso così gravi da impedire al feto di nascere
• Cromosomiche: alterazioni di cromosomi o pezzi di essi (es. sindrome di Down)
• Geniche: alterazioni di pezzi di geni
• Puntiformi: alterazione di un solo nucleotide, determinano il cambiamento del senso di un aa e la proteina non si avvolge bene (es. anemia falciforme con mutazione del gene della globina).

Le cause e i meccanismi di formazione delle mutazioni possono essere:

• Chimici: sostanze mutagene
• Fisici: radiazioni
• Enzimatici: errori nella duplicazione del DNA (delezione, inserzione, duplicazione o inversione).

Le mutazioni possono essere classificate in:

• Delezione/inserzione: c’è una base in meno o in più, causano sfasamento del sistema di lettura
• Duplicazione: viene duplicato un pezzo di sequenza
• Inversione: inversione tra due frammenti del DNA
• Mutazioni puntiformi che producono varianti strutturali: mutazione nella parte codificante del gene e si avrà una quantità normale di una proteina alterata
• Mutazioni del promotore: mutazione nella parte regolatrice della proteina, si avrà la proteina strutturalmente corretta, ma prodotta in quantità sbagliata, solitamente inferiore.
• Mutazioni non senso: un codone codificante viene trasformato in codone di stop e la sintesi della proteina viene bloccata (es. ipercolesterolemia familiare)
• Fusione genica: quando la cellula si divide i cromosomi si separano e i generi si mischiano
• Mutazioni nei codoni di inizio o di terminazione: la proteina non è sintetizzata correttamente
• Mutazioni che interferiscono con la mutazione di RNA: si ha il taglio dell’introne, proteine e RNA riconoscono delle sequenze (che iniziano con GT o terminano con AG) e tagliano l’mRNA in siti di taglio (splicing); più il taglio è vicino alla sequenza iniziale GT e più la mutazione è grave.

Mutazione predisponente: mutazione che interessa i tumori, es. gene APC (poliposi adenomatosa nel colon) che presenta tre triplette (GAA ATA AAA). Nel codone di mezzo posso avere AAA invece di ATA; essi codificano per lo stesso gene, quindi non si ha nessuna alterazione della proteina. Quando le cellule si dividono possono presentarsi otto A di fila e, quando i cromosomi si devono appaiare e disappaiare durante la copiatura del DNA e la successiva divisione cellulare, un cromosoma può rimanere spaiato, quindi DNA polimerasi ne aggiunge uno e si ha la mutazione somatica.

Mutazioni dinamiche

Man mano che l’organismo invecchia i geni cambiano e si verifica:

• Anticipazione: più triplette ho e più la malattia anticipa
• Espansione delle triplette: man mano che la cellula si divide le triplette aumentano

C’è una correlazione tra l’espansione e la gravità dei sintomi. La proteina in questione può perdere o acquistare funzioni. Una di queste patologie è la sindrome x fragile: assenza del gene che sta sul cromosoma x, che solitamente codifica per una proteina che lega gli mRNA e quindi funge da regolatore; tale patologia provoca un ritardo mentale e ha una frequenza di 1/1000-2000 neonati.

Malattie monogeniche e multifattoriali

Malattie monogeniche: alterazione precisa in un singolo gene, si ha eterogeneità.

Malattie multifattoriali: c’è un’alterazione di più geni e si ha una maggiore influenza da parte dell’ambiente. Si ha poligenicità (il fenotipo è il risultato della combinazione di varianti in molti geni differenti).

Polimorfismi di un singolo nucleotide (SNP): variazioni nella sequenza DNA con effetto fenotipico modesto o nullo, quindi più suscettibili all’interazione con l’ambiente. Sono frequenti (in media uno ogni 1000 basi) e possono essere in varie posizioni; sono importanti per le malattie multifattoriali con componente ambientale e per le malattie non multifattoriali.

Lezione 2

I polimorfismi sono random, possono verificarsi nel promotore, negli introni o negli esoni (nella parte codificante o non codificante) e possono essere silenti o provocare un cambio di aa (e quindi modificare le funzioni della proteina).

• La proteina GPR120 è un sensore che regola l’assunzione di AG e non ha la stessa sequenza in tutti i soggetti, alcuni hanno un cambio di aa della proteina e ciò causa un rischio di obesità.
• Le proteine sono sintetizzate tutte nel citoplasma e poi vengono trasportate nel sito d’azione, grazie a una sequenza di segnali riconosciuti da altri complessi proteici. Es. la superossido dismutasi è un enzima antiossidante che lavora nel mitocondrio. Se la sequenza presenta delle varianti e non viene riconosciuta, si ha un rischio di malattie epatiche da alcol, perché l’abuso di alcol può provocare stress ossidativo. Dipende anche dalla componente ambientale.
• Multidrug resistance (MDR): le proteine eliminano dalla cellula sostanze estranee, vengono attivate dalle sostanze estranee e non sono specifiche per determinate molecole (multidrug). Varianti di questa proteina sono associate all’aumento della suscettibilità ai tumori perché riducono l’efficienza della proteina e la sostanza estranea potrebbe restare nella cellula.
• Soggetti con varianti al Metilene THF reduttasi hanno un ridotto rischio di cancro al colon e leucemia linfatica. Tale enzima trasforma il Metilene THF in Metil THF e, per funzionare, ha bisogno di un cofattore (FAD), che, con questa variante, viene rilasciato tre volte più velocemente; quindi, con la variante l’enzima funziona meno e si ha un accumulo di metilene THF.

Il metilene THF trasforma dUMP in dTMP (inibita da carenza di folati), quindi si ha meno dUMP e si è protetti dal rischio di questi tumori, perché elevati livelli di dUMP favoriscono la presenza di U nel DNA. Le basi del DNA sono A, T, G e C, quindi se c’è U degli enzimi cercano di toglierla e possono causare danni al DNA e quindi rischio di tumore.

Per fare il metilene THF è necessario il metilene, la cui produzione è inibita dalla carenza di vit B6. Il metil THF serve per trasformare la omocisteina in metionina (reazione inibita dalla carenza di B12) e se la omocisteina è alta aumenta il rischio di infarto. Quindi se ho il polimorfismo sono un po’ più protetto nei confronti di alcuni tipi di tumore, ma ho più alto rischio di infarto.

MicroRNA (miRNA)

MicroRNA (miRNA): molecole di RNA corte (22 nucleotidi) che agiscono come regolatori post-trascrizionali, silenziando i geni, e si appaiano a zone complementari di mRNA. Ciò può causare:

• Degradazione dell’mRNA
• Inibizione della traduzione dell’mRNA: la molecola di mRNA non produce proteina e spegne l’espressione genica.

Nel genoma umano sono circa 1000 miRNA e sono trascritti dalla RNA polimerasi II, hanno come bersaglio il 60% dei geni. miRNA-144 è un modificatore dell’espressione genica. In tutte le anemie falciformi l’acido glutammico in posizione 6 è sostituito da valina. La gravità della malattia non è uguale in tutti i pazienti, quelli con anemia più grave hanno livelli più alti di miRNA-144 e ciò porta a una ridotta attività del fattore trascrizionale NRF2, che attiva l’espressione di proteine antiossidanti. Quindi i precursori eritroidi di questi pazienti sono meno resistenti allo stress ossidativo e i ROS portano a un’emolisi (distruzione di globuli rossi) accelerata, quindi anemia.

Epigenetica

Epigenetica: adattamento strutturale di regioni cromosomiche che permette di registrare e segnalare stati di attività alterata, è un insieme di cambiamenti della struttura della cromatina, ossia l’insieme del DNA e delle proteine che lo proteggono (istoni e proteine non istoniche) e permettono l’accesso fisico alla sequenza di nucleotidi.

Modificazioni epigenetiche:

• Modificazioni degli istoni che partecipano al rimodellamento della cromatina e influiscono sulla trascrizione genica: la cromatina in una conformazione aperta e permissibile alla trascrizione è eucromatina e se è chiusa è eterocromatina ed è trascrizionalmente repressiva.
• Metilazione del DNA: avviene solitamente su siti CpG (p è un residuo fosfato) e se un gene è metilato non viene espresso, se non è metilato viene espresso.

Le api regine e le api operaie presentano un DNA identico, ma presentano differenze nel peso, nella durata media della vita, nella presenza di spermateca, di cesto del polline e di ghiandole della cera, nella complessità dell’occhio composto e nel comportamento; per quanto riguarda l’alimentazione, le operaie passano presto a una dieta ricca in polline e nettare, mentre la larva regina è nutrita per tutta la vita con pappa reale, molto nutriente (acqua 67%, proteine 12.5%, zuccheri semplici 11%, grassi 5%, vit B, minerali, componenti antibatterici e fenil butirrato). Quindi le sequenze del DNA sono uguali, ma l’espressione genica è diversa. Si è andati a vedere com’era metilato il DNA tra operaie e regine e si sono scoperti circa 500 geni metilati diversamente: quelli metilati erano spenti (es. DNA per la produzione).

Le operaie però non sono solo delle regine “represse”, perché hanno delle capacità che le regine non hanno e infatti molti geni sono più attivi nel cervello delle operaie. Il topo agouti ha due fenotipi contrastanti: giallo-obeso e marrone-magro; arricchendo la dieta della mamma prima, durante e dopo la gravidanza con a. folico, vit B12, colina e donatori di metili si può variare il fenotipo del topo. Quindi individui geneticamente identici ma con diete diverse (con fattori che consentono agli enzimi di metilare DNA) possono essere indirizzati diversamente.

Obesità e ambiente

Obesità è influenzata dall’ambiente obesogenico, da fattori ereditari e da malattie monogeniche, che sono responsabili del 5% di tutti i casi di obesità e diabete.

Nutrigenomica e nutrigenetica

Nutrigenomica: studio degli effetti della dieta sull’espressione genica, cerca di identificare e caratterizzare a livello molecolare l’interazione tra nutrienti e il genoma. Tenta di definire la relazione causale tra nutrienti e salute umana e mira allo sviluppo di mezzi razionali per studiare la dieta più adatta per il singolo individuo.

Nutrigenetica: studia l’effetto del patrimonio genetico sulla risposta dell’individuo alla dieta. Ha lo scopo di identificare la suscettibilità genetica alle malattie alimentari e la variazione genetica negli effetti dei nutrienti sul genoma. Considerando il periodo asintomatico che precede questo tipo di malattie, l’individuazione precoce degli individui a rischio potrebbe essere importante per prevenire lo sviluppo della malattia e gli studi possono essere:

• Studi su geni canditati in base alla funzione (es. se c’è una patologia di accumulo di rame, studio la proteina che trasporta Cu)
• Studi dell’intero genoma (GWAS): la conoscenza dell’intera sequenza del DNA umano e l’avvento di più avanzate tecniche di sequenziamento rapido del DNA hanno permesso l’identificazione di geni coinvolti in comuni malattie poligeniche.

Metabolomica: screening di metaboliti presenti in campioni di origine biologica, la cui caratterizzazione è indice dello stato biologico dell’organismo e consente di risalire alla malattia. Confrontando profili metabolomici si possono determinare patterns di variazione tra gruppi differenti (sani, malati, controlli…). Il tentativo è quello di individuare una dieta personalizzata in base alle differenze genetiche per minimizzare i rischi di malattie metaboliche:

• Fenilchetonuria: malattia genetica monogenica in cui i pazienti accumulano a. fenilpiruvico, tossico per il cervello, perché non hanno l’enzima che metabolizza la Phe. Dieta povera in Phe.
• Celiachia: condizioni infiammatoria dovuta all’intolleranza al glutine, ha una base genica di predisposizione ed è un altro esempio di applicazione di nutrizione personalizzata.
• Malattie poligeniche (es. obesità): si studia una dieta personalizzata in base a SNP nei vari geni. Più geni sono coinvolti e più diventa complicato.

Riguardo allo scopo di queste branchie, c’è una sovrapposizione tra terapia individuale e mirata, sulla base di informazioni genetiche, e una medicina basata sulle evidenze, basata sulla statistica. La nutrigenetica e la nutrigenomica a volte si sovrappongono.

Lezione 3

Sistemi vitali delle cellule

Una cellula, per poter svolgere le proprie funzioni, deve avere questi sistemi vitali:

• Membrana cellulare intatta: regola i rapporti con l’esterno. In laboratorio si utilizza il trypan blue, colorante che non è in grado di penetrare nella membrana della cellula sana, per vedere lo stato della cellula. Con la rottura della membrana fuoriescono degli enzimi utilizzati a scopo diagnostico (es. elevati valori di transaminasi nel sangue indicano un danno cellulare epatico).
• Mitocondri: produzione di energia
• Ribosomi: sintesi proteica; sono i meno importanti perché le cellule a breve durata possono vivere anche senza la sintesi proteica.

Necrosi

Necrosi: morte di numerose cellule all’interno del tessuto, le cause possono essere:

• T e variazioni estreme di pH: portano alla denaturazione delle proteine e alla coagulazione del citoplasma; le cellule sintetizzano le proteine heat shock, che cercano di adattare le cellule a queste condizioni, aiutandole a mantenere la loro struttura e a svolgere la loro funzione
• Tensioattivi (sciolgono lipidi) e variazioni osmotiche: danneggiano la membrana cellulare
• Veleni, sostanze xenobiotiche: inibiscono gli enzimi
• Ischemia: riduzione dell’apporto di sostanze nutritive e di O₂.

Sostanze che possono danneggiare irreversibilmente la cellula:

• Radiazioni ionizzanti: determinano un aumento dei ROS e quindi stress ossidativo
• Sostanze xenobiotiche: causano una diminuzione del GSH, che è una difesa antiossidante
• Ipossia: causa il blocco della produzione di ATP e la produzione di a. lattico, che abbassa il pH
• Accumulo di xantina: aumenta l’effetto dei ROS, che causano rottura di DNA, danno a proteine e lipidi e alterano il funzionamento delle pompe ioniche, quindi della membrana.

Il danno alla membrana si può avere anche per virus, danni al sistema di complemento (distrugge i batteri) e traumi.

Ischemia

Ischemia: mancato afflusso di sangue a una zona di un tessuto, quindi riduzione dell’apporto di nutrienti e di O₂. La morte per ischemia è una morte per anossia. Inizialmente si hanno modificazioni reversibili perché la cellula prova ad adattarsi e successivamente, superato il punto di non ritorno, la cellula va incontro alla morte cellulare: aumento delle dimensioni e rigonfiamento della cellula e degli organelli interni, blocco della sintesi proteica, disgregazione di mitocondri, blocco della produzione di ATP, liberazione del contenuto dei lisosomi e attivazione della risposta infiammatoria.

L’infarto è la zona di tessuto morta per necrosi e l’ictus è l’evento in cui si ha una zona di necrosi nel cervello. L’ischemia può avvenire per cause intrinseche o estrinseche (es. compressione vaso) per ostruzione di: capillari (es. anemia falciforme), vene (aumento P interna o accumulo di liquidi in alcuni organi) e arterie (aterosclerosi o trombosi). Si parla solitamente di ischemie cardiache o cerebrali perché questi tessuti, oltre alle loro funzioni essenziali, sono ad alto consumo di O₂, quindi resistono poco in condizioni di ischemia; mentre il fegato, abituato a lavorare con sangue venoso meno ossigenato rispetto a quello arterioso, riesce a sopravvivere più a lungo perché ha un ridotto contenuto di mitocondri.

Due condizioni in relazione con le necessità metaboliche del tessuto sono:

• Angina pectoris: dolore tipico di persone con ischemia cardiaca, è detta angina da sforzo se si manifesta sotto sforzo. Se il cuore è a riposo con una frequenza cardiaca normale è sufficiente il sangue che arriva, se la frequenza cardiaca aumenta l’O₂ è insufficiente e si sente il dolore.
• Claudatio intermittens: causata da ostruzioni di vasi