Nutrigenômica:
Perspectivas
x
Doenças Crônicas
Neuza Maria Brunoro Costa
Departamento de Nutrição e Saúde
Universidade Federal de Viçosa
[email protected]
Aumento dos conhecimentos do efeito dos
nutrientes sobre a saúde humana e do
desenvolvimento de novas tecnologias
Prevenção de
deficiências
nutricionais
Promoção da
saúde e
prevenção de
doenças crônicas
como o câncer,
doenças
cardiovasculares
e metabólicas
DNA e Genoma Humano
1953
descoberta do DNA
James Watson
Francis Crick
2001
seqüenciamento do genoma humano
Nature
Science
Nutrigenômica – Novo paradigma
• O termo nutrigenômica ou genômica
nutricional tem sido usado para descrever
estudos na interface da bioquímica,
fisiologia, genômica e nutrição que
buscam esclarecer as interações
recíprocas que existem entre nutrientes e
o genoma de um indivíduo em níveis
moleculares e genômicos.
Foco
• Interação gene-nutriente que pode ocorrer
de duas formas:
• 1- Nutrientes podem influenciar o
funcionamento do genoma;
• 2- Variações no genoma podem influenciar
a resposta individual à alimentação.
Premissas
•
Constituintes dietéticos agem no genoma humano de maneira direta
ou indireta, alterando a expressão ou a estrutura gênica;
•
Sob certas circunstâncias e em alguns indivíduos (dependendo do
seu perfil genético), a dieta pode ser um importante fator de risco
para alguns cânceres, doenças cardiovasculares e outras doenças
relacionadas à nutrição;
•
Alguns genes regulados pela dieta têm papel na iniciação,
promoção e/ou progressão do câncer e no desenvolvimento de
outras doenças;
•
Intervenções dietéticas baseadas no conhecimento das
necessidades nutricionais, no estado nutricional e no genótipo,
podem ser usadas para prevenir, diminuir ou tratar doenças
relacionadas à nutrição e alguns cânceres.
Ômicas x Nutrição e Saúde
Revolução Genômica
• Técnicas de genômica, proteômica,
metabolômica e bioinformática
• Estudo das interações gene-nutriente nos
níveis celular, individual e populacional
Perspectivas da nutrigenômica
• Bloquear a expressão de enfermidades
metabólicas, como diabetes, obesidade,
doenças cardiovasculares e alguns tipos
de câncer.
• Por outro lado, acarretará problemas
éticos e legais, que deverão estar voltados
para a proteção e confiabilidade do
paciente.
Perspectivas da nutrigenômica
• Identificar polimorfismos que predispõem
à enfermidade frente a uma alimentação
não saudável.
• O risco de enfermidades como diabetes
tipo 2, enfermidade cardiovascular e
neurológica, câncer, homocromatose e
outras pode diminuir modificando-se a
ingestão alimentar do indivíduo.
Pisabarro, Ver Med Urug 2006; 22:100-107.
Perspectivas da nutrigenômica
• Personalização das recomendações
nutricionais, com base no genótipo, para a
promoção da saúde e redução de risco de
doenças crônicas não-transmissíveis.
BIOLOGIA DE SISTEMAS NUTRICIONAIS
Nutriente
Funções
Genômica
nutricional
Metabolômica
FT
Proteômica
Transcriptômica
DNA
Genômica e Epigenômica
Nutrigenética e epigenômica
nutricional
• Todos os seres humanos são 99,9% idênticos
na sua sequência genética;
• 0,1% na variação produz alterações fenotípicas
(cor da pele e do cabelo, altura, peso, etc);
• A maioria dos genes sofre polimorfismos. Os
mais comuns são SNPs (single nucleotide
polymorphisms);
• Já foram identificados mais de 3 milhões de
SNPs em humanos com potencial para
promover variações, como, por exemplo, a
resposta nutricional ao ambiente
Nutrigenética e epigenômica
nutricional
• Pequenas diferenças na sequência ou
polimorfismos como deleções, inserções e troca
de bases únicas (SNPs) ocorrem entre os
indivíduos a cada 1000-2000 nucleotídeos.
• Estas variações podem se localizar em regiões
codificadoras, promotoras ou sinalizadoras de
modificações pós-traducionais ocasionando
alteração da expressão, da bioatividade ou da
estrutura da proteína interferindo nas interações
desta com outras proteinas ou com substratos.
Nutrigenética e epigenômica
nutricional
• A herança da informação baseada na sequência
de DNA é conhecida como herança genética,
enquanto que a informação transmitida com
base na expressão gênica é chamada de
epigenética.
• O campo da epigenética é, portanto, o estudo
das modificações do DNA, das proteinas
ligadoras de DNA e de histonas que causam
alteração da estrutura da cromatina sem alterar
a sequência de nucleotídeos.
Nutrigenética e epigenômica
nutricional
• A reação em cadeia da polimerase (PCR) foi
desenvolvida a partir da década de 80 e permite
a amplificação de virtualmente qualquer
sequencia gênica de interesse, oportunizando
os estudos genômicos.
• Esta técnica, associada a sofisticados métodos
de hibridação e marcação de nucleotídeos e ao
sequenciamento automatizado do DNA, tem
permitido o grande avanço observado na
identificação de vários genes marcadores de
risco de câncer.
Transcriptômica Nutricional
• Componentes dietéticos bioativos são capazes
de modular a taxa de expressão gênica através
principalmente dos fatores de transcrição.
• Fatores de transcrição são proteinas envolvidas
na regulação da expressão que, uma vez
ativadas, migram para núcleo celular e se ligam
a sequências específicas do DNA localizadas na
região promotora dos genes, facilitando ou
inibindo a transcrição.
Transcriptômica Nutricional
• Os fatores de transcrição respondem a sinais
fisiológicos (como nutrientes ou seus metabólitos e
hormônios), farmacológicos e patológicos, agindo como
sensores, modulando e regulando a transcrição
conforme as necessidades e demandas celulares.
• Receptores nucleares como os receptores ativados por
proliferadores de peroxissomos (PPARs) que ligam
ácidos graxos e seus metabólitos se ligam em
elementos na região promotora de numerosos genes.
• Desta maneira, os nutrientes, ativando estes receptores,
são capazes de influenciar uma grande variedade de
funções celulares.
Transcriptômica Nutricional
• Ex: uma das três isoformas de PPAR, o
PPARα, que está presente primariamente
no fígado, regula a transcrição de mais
que 3000 a 4000 genes envolvidos em
numerosos processos metabólicos
incluindo metabolismo de aminoácidos e
ácidos graxos, cetogênese,
gliconeogênese, proliferação celular e
resposta de fase aguda.
Vá i
á id
t
d
Transcriptômica Nutricional
•
A reação em cadeia da polimerase em tempo real (Real Time PCR)
tem sido o método mais utilizado para análise da expressão de um
ou de pequeno número de genes.
•
A análise da expressão de genes por este método é baseada na
detecção e quantificação da fluorescência produzida à medida que
os produtos da PCR são gerados, sendo assim, proporcional à
quantidade de produto formado.
•
O molde utilizado na reação consiste de DNA complementar
(cDNA) gerado pela transcriptase reversa, a partir do RNA
mensageiro do gene de interesse.
•
Assim, o registro da quantidade de fluorescência emitida em cada
ciclo da PCR permite monitorar a reação durante a fase exponencial
na qual o primeiro aumento significativo de produto da PCR
correlaciona-se com a quantidade inicial de molde, ou seja, de RNA
mensageiro produzido.
Transcriptômica Nutricional
• Nos estudos de transcriptômica nutricional, uma das
estratégias utilizadas é a realização de estudos de
intervenção nutricional com avaliação do impacto dos
nutrientes sobre a expressão gênica.
• Entretanto os efeitos de intervenções nutricionais sobre
a expressão gênica são frequentemente difíceis de
detectar e interpretar, porque muitas vezes os efeitos
são múltiplos e pequenos.
• Numerosos genes podem ser sutilmente regulados e
apenas a ação orquestrada destes resulta em uma
diferença detectável no fenótipo.
Transcriptômica Nutricional
• Ex: Isoflavonas provenientes de soja têm sido
associadas com o efeito protetor para câncer de cólon e
de mama.
• No entanto, a capacidade da microbiota intestinal de
formar o metabólito equol a partir da daidzeína (uma
isoflavona da soja) é considerada um importante
modulador da resposta individual.
• Usando microarranjos de RNA, amostras de mRNA de
linfócitos periféricos foram analisadas em mulheres que
receberam por três meses altas doses de isoflavonas de
soja purificadas.
• A administração de isoflavonas afetou diferencialmente
a expressão gênica de indivíduos que produzem e que
não produzem equol.
Niculescu et al. J Nutr Biochem. 2007;18:380-390
Proteômica
• Componentes dietéticos podem também alterar a
tradução do mRNA em proteinas e as modificações póstraducionais que podem afetar a atividade proteica.
• O termo proteoma se refere a todas as proteinas
produzidas por uma célula, tecido ou organismo, assim
como o genoma se refere ao conjunto de genes.
• Diferente do genoma, o proteoma é extremamente
dinâmico e varia de acordo com o tipo celular e o estado
funcional da célula.
• Então, estudos proteômicos permitem comparações
apenas em determinado momento ou tempo da
intervenção nutricional.
• No entanto, a importância destes estudos está no fato
de que a produção de mRNA nem sempre se
correlaciona com a expressão protéica.
Proteômica
• As proteinas celulares apresentam natureza
química altamente diversa e muitas vezes são
produzidas apenas transitoriamente em baixas
quantidades.
• Além disto, enquanto as estimativas do número
de genes humanos ficam ao redor de 20 a 30
mil, o número de proteinas produzidas por uma
célula são estimadas em centenas de milhares,
tornando o proteoma infinitamente mais
complexo.
Proteômica
• Ex: O tratamento com butirato alterou a
expressão de várias proteinas do sistema
ubiquitina-proteasoma, sugerindo que a
proteólise pode ser o mecanismo pelo qual o
butirato pode regular proteinas chaves no
controle do ciclo celular, apoptose e
diferenciação. (Tan et al. Int J Cancer. 2002;98:523-531)
• Flavona presente em frutas e vegetais foi
identificada como potente indutor de apoptose
em células de câncer humano, apresentando
um amplo espectro de efeitos relacionados tanto
a apoptose quanto ao metabolismo celular.
(Herzog et al. Proteomics. 2004;4:2455-2464)
Metabolômica
• Metabolômica é o estudo dos metabólitos de uma célula
ou organismo em um dado momento.
• Os metabólitos representam o produto final do
metabolismo e dos processos fisiológicos regulatórios
envolvidos.
• Sua análise pode fornecer informações relevantes sobre
os eventos moleculares associados com a ingestão de
nutrientes e as adaptações orgânicas para aumentar ou
reduzir o fluxo de certos nutrientes através das vias
metabólicas.
Metabolômica
• A informação sobre o perfil de metabólitos
avaliado pela metabolômica pode ser
alterado durante a vida de acordo com a
dieta ou outros fatores de estilo de vida,
exposição a toxinas ambientais, terapia
medicamentosa e doenças.
Metabolômica
• Análise de amostras de sangue e urina já são
rotineiramente testadas para metabólitos como
colesterol, glicose, homocisteína e outros, os
quais são usados como indicadores de saúde e
como guias para o aconselhamento dietético a
décadas.
• A novidade dos estudos metabolômicos é a
tentativa de tabular e quantificar todas as
pequenas moléculas em uma amostra para
encontrar novos biomarcadores para doenças
ou padrões de metabólitos indicadores do
estado nutricional.
Metabolômica
• Os efeitos biológicos da nutrição sobre o
metaboloma resultam da interação entre o
metaboloma do indivíduo, o metaboloma do
alimento que fornece numerosos compostos
bioativos tanto nutrientes como não nutrientes e o
metaboloma da microbiota intestinal que pode
interferir com a biodisponibilidade de certos
componentes.
• A resposta metabólica é multifatorial e reflete a
modulação de muitas vias simultaneamente
tornando a abordagem mais complexa do que
aquela baseada em uma substância farmacológica
ou tóxica.
Metabolômica
•
Ex: Os metabólitos plasmáticos de mulheres foram analisados por
Ressonância Nuclear Magnética (RNM) antes e após o consumo
de uma dieta controlada contendo soja.
•
Os perfis bioquímicos plasmáticos observados foram
característicos e únicos para cada indivíduo, refletindo as
complexas interações entre fatores como variabilidade genética,
saúde, idade e estilo de vida.
•
No entanto apesar da presença de substancial variação
interindividual, a análise metabólica permitiu a identificação de
biomarcadores relacionados à intervenção dietética.
•
Foram observadas claras diferenças nos perfis de lipoproteinas,
aminoácidos e carboidratos após a intervenção, sugerindo uma
alteração no metabolismo energético induzida por soja.
A extensão da intervenção foi dependente do indivíduo, mas a
natureza da resposta foi consistente entre os indivíduos.
•
Solanky et al. Anal Biochem. 2003;323:197-204
Envelhecimento
Doenças Cardiovasculares
• Single nucleotide polymorphisms (SNPs)
relacionados com DCV:
• C677T (gene metileno tetrahidrofolato
redutase - MTHFR): > homocisteína (>
risco de DCV);
• A suplementação com ácido fólico
contrapõe os efeitos desse polimorfismo
Doenças Cardiovasculares
• Indivíduos com genotipo apoE 4 alimentados com dieta
rica em lipídios: > risco de DCV;
• Indivíduos com mutação na região promotora do gene
apo A-1 necessitam de maiores quantidades de ácidos
graxos polinsaturados para elevar seus níveis de HDL;
• A superexpressão do gene da IL-1 aumenta a resposta
inflamatória e o risco de DCV;
• Polimorfismo no gene ABCG5 aumenta a absorção
intestinal de colesterol: > risco de DCV – fitoesterol pode
contrapor esse efeito (?)
Subbiah, Omics, 12, 2008.
Doenças Cardiovasculares
Doenças Cardiovasculares
Doenças Cardiovasculares
Soja na redução do risco de
doenças cardiovasculares e câncer
• Lunasin
• Peptídio da soja descoberto em 1996
• Bloqueia a divisão celular por se ligar a
proteínas cromossomais específicas,
chamadas de “histonas hipoacetiladas”.
• Reduz a atividade da HMGCoA redutase,
inibindo a síntese de colesterol
(semelhante à estatina)
Resveratrol
Resveratrol e Restrição Calórica
(CR) na longevidade
Diabetes
Diabetes x Ácidos Graxos
• Foi identificada relação entre a ingestão de ácidos graxos
trans e saturados e diabetes tipo 2 em indivíduos
portadores do polimorfismo PPARgama2Pro12Ala, muito
frequente na população caucasiana (15 a 20%).
• Os ácidos graxos saturados (AGS) de cadeia longa se
relacionam com insulinorresistência. Indivíduos com
sobrepeso são mais suscetíveis a desenvolver
insulinorresistência quando alimentados com dieta rica
em AGS.
• Nesses indivíduos predominam os AGS nos triglicerídeos
plasmáticos
Pisabarro et al. Diabetes Care, 2004; 27:2251-2.
Diabetes x Ácidos Graxos
• Os AGS e possivelmente os AG trans
induzem alterações na fluidez da
membrana que pode alterar a
acessibilidade ao receptor de insulina, a
união da insulina ao seu receptor e,
portanto, a ação insulínica (Resistência
Insulínica – RI), além de aumentar a
gliconeogênese hepática, o que determina
hiperinsulinemia compenstória (IC).
Diabetes x Ácidos Graxos
SREBP-1: Sterol Regulatory Element Binding Protein-1
Obesidade
Obesidade – Polimorfismos nos
genes leptina e do seu receptor
•
O gene que codifica o hormônio leptina (LEP) se localiza no
cromossomo 7 região 7q31.3 (recessivo) e quando mutado está
associado a fenótipos de hipometabolismo, hiperfagia, atraso
puberal, infertilidade, intolerância à glicose devido à deficiência de
leptina.
•
O gene que codifica o receptor de leptina (LEP-R) localizado no
cromossomo 1 região 1p31 (recessivo) apresenta como fenótipos
associados a mutações deste gene hipometabolismo, hiperfagia,
retardo puberal devido a transdução desordenada da leptina.
(Rosebaum, 2002).
Obesidade
•
Hoje já são conhecidos mais de 600 genes e regiões
cromossômicas que estão associados à gênese da obesidade.
•
A predisposição genética na obesidade afeta tanto o consumo
calórico quanto o gasto energético.
•
O polimorfismo Gln223Arg do receptor de leptina pode ser
considerado um preditor significante de 5% de variabilidade da
composição corporal, pode afetar a funcionalidade do receptor e
alterar sua capacidade de sinalização.
•
Homozigotos para o alelo Gln223 são mais suscetíveis a
anormalidades metabólicas (maior elevação do nível de leptina,
maior intolerância à glicose, decréscimo de HDL e aumento de
triglicerídeos), quando expostos a balanço energético positivo
durante longo período.
Câncer
Processos da carcinogênese passíveis de serem
alterados por componentes alimentares bioativos.
Câncer x Alimentos Funcionais
• Estima-se que uma alimentação saudável possa
reduzir em até 35% a incidência global de
câncer.
• Os alimentos contêm diversas substâncias
biologicamente ativas, que podem exercer
efeitos benéficos ao organismo.
• Compostos como sulfurano, curcumanos,
licopeno e polifenóis do chá verde se situam
entre os mais promissores agentes protetores
contra o câncer até o presente momento.
Pisabarro, Ver Med Urug 2006; 22:100-107.
Ácido Fólico e Câncer
• Alterações do padrão de metilação geneespecíficas parecem ser um evento precoce e
consistente da carcinogênese.
• Em células tumorais observa-se hipometilação em
geral do DNA genômico.
• A hipometilação promove instabilidade genômica.
• O folato é um doador de grupos metila em
reações de metilação.
• A forma circulante de folato no plasma (5metilTHF) fornece um grupo metila para a síntese
de novo de metionina e metilação do DNA.
A forma circulante do folato, 5-metiltetrahidrofolato (5metilTHF), está envolvida na remetilação de homocisteína a
metionina, que é precursora de S-adenosil-metionina (SAM), o
doador primário de grupos metil para a maioria das reações
biológicas de metilação, incluindo do DNA.
Ácido Fólico e Câncer
•
•
•
•
Um SNP (single nucleotide polymorphism) no gene MTHFR substituição de citosina (C) para timina (T) no nucleotídeo 677, é a
variante mais comum conhecida das vias metabólicas do ácido
fólico e uma das mais consideradas nos estudos das interações
gene-nutriente e risco de câncer.
A enzima variante apresenta menor atividade com conseqüente
redução dos níveis circulantes de 5-metilTHF, acúmulo de 5,10metilenoTHF e hiperhomocisteinemia.
Este SNP tem sido proposto como fator de risco para doenças
cardiovasculares e para defeitos do tubo neural associados com
baixa ingestão de folato e os indivíduos homozigotos para o alelo
variante (T) parecem requerer um consumo maior de folato para
manter níveis séricos similares aos apresentados pelos indivíduos
carreadores do alelo C.
Recentes meta-análises e revisões da literatura observaram um
aumento do risco para cânceres de mama, esôfago, estômago,
pâncreas e colorretal em indivíduos homozigotos para o alelo T,
especialmente naqueles com baixo status de folato ou alto consumo
de álcool – Interação GENE - NUTRIENTE.
Polimorfismos x Câncer
• mulheres que apresentam consumo
abaixo da mediana de frutas e vegetais
(<764g/dia), ácido ascórbico (<155mg/dia)
e α-tocoferol (<7,5 mg/dia) apresentam
maior risco de câncer de mama como
resultado de um SNP que causa uma
mudança de valina para alanina na
posição 9 da sequência sinal da enzima
superóxido dismutase dependente de
manganês (MnSOD).
Polimorfismos x Câncer
• Em chineses, foi observado menor risco de câncer
colorretal em indivíduos com baixo consumo de vegetais
crucíferos apresentando os genótipos nulos para as
isoenzimas GSTM1 e GSTT1 (glutationa-S-transferases),
que metabolizam e excretam mais lentamente os
isotiocianatos.
• Informações sobre as consequências celulares destes e
outros polimorfismos são ainda escassas. Apenas uma
análise mais detalhada incorporando o estudo de vários
SNPs em vários genes, dentro de uma abordagem
nutrigenômica permitirá esclarecer os riscos e potenciais
benefícios dos componentes dietéticos.
Considerações Finais
• Embora as novas fronteiras das disciplinas “ômicas”
aplicadas à nutrição estejam ainda em fase inicial de
desbravamento, os resultados dos estudos realizados
demonstram o grande potencial para a descoberta de
novos biomarcadores do efeito dos compostos dietéticos
sobre a saúde humana.
• Estes estudos podem auxiliar a revelar indicadores
precoces de predisposição ao câncer e outras doenças;
ajudar a definir a homeostase, o metabolismo e o
fenótipo “saudáveis”; ajudar a diferenciar entre
indivíduos “responsivos” dos “não responsivos” às
intervenções dietéticas; e por último, mas não menos
importante, descobrir compostos dietéticos bioativos ou
funcionais.
Considerações Finais
Subbiah, Omics, 12, 2008.
Considerações Finais
•
•
•
•
Impacto nas recomendações nutricionais;
Mercado de alimentos funcionais;
Alto custo dos exames genéticos;
Conhecimento e modificação na
composição dos alimentos;
• Ensino de genética, de biologia molecular
e de bioinformática na graduação e pósgraduação em Nutrição.
• Desafio ético-legal.
Obrigada!