Slajd 1

Małgorzata Schlegel-
Zawadzka

Zakład Żywienia Człowieka
Instytut Zdrowia
Publicznego
Wydział Ochrony Zdrowia
Collegium Medicum UJ

Ul. Grzegórzecka 20,
31-531 Kraków,

tel 012-431-26-97

Genom a żywienie, aktywność fizyczna

MSZ

Nadwaga:

Tak

Picie alkoholu:

Tak

Palacz:

Tak

Aktywność ruchowa: Brak
Zdrowa dieta:

Brak

Ostatnia praca: Premier Wielkiej
Brytanii w wieku 80 lat

Umarł – 90 lat

MSZ

Jesteśmy różni ....

Gill-Garrison, 2005

Cogito ergo sum.

(Myślę, więc jestem)

Kartezjusz (1596-1650)

Geny zakreślają możliwości poznania.

Nasze ego (człowieczeństwo i nasza
tożsamość) zakodowana w sekwencji par
nukleotydów.

Wiek XX – wiek genu - genetyki

Wiek XXI – wiek genomu - genomiki

MSZ

ZDROWIE

Stan pełnego dobrostanu

fizycznego

psychicznego
i społecznego,

a nie tylko brak choroby lub kalectwa.

MSZ

UDZIAŁ CZYNNIKÓW DECYDUJĄCYCH

O ZDROWIU CZŁOWIEKA WG WHO

optymalizacja stresu

odpowiednio
zbilansowana
dieta,

uprawianie sportu,
właściwy odpoczynek

MSZ

WATSON James D., CRICK Francis H.

Molecular structure of nucleic acids; a structure for
deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953 Apr
25;171(4356):737-8.

Genetical implications of the structure of deoxyribonucleic
acid. Nature. 1953 May 30;171(4361):964-7.

The structure of DNA. Cold Spring Harb. Symp. Quant Biol.
1953;18:123-31.

Frederick Sanger, Allan Maxam, Walter Gilbert –
rozwój metod sekwencjonowania DNA

MSZ

Marshall Nirenberg, Har Gobind Khorana,

Robert Holley – złamanie kodu genetycznego

każda trójka zasad RNA koduje jeden aminokwas

GenBank

Koordynacja:
U.S. Department of Energy,
National Institutes of Health.

Planowany początkowo na 15 lat.
Koszt zakładany – 3 mld $.

Rzeczywisty koszt w 2003 r. – 2,7 mld $.

Udziałowcy:
20 naukowych ośrodków z:
Chin,
Francji,
Niemiec,
USA,
Wielkiej Brytanii

MSZ

The Human Genome Program of the U.S. Department of Energy Office of Science funds this suite of Web sites

Welcome! Explore this

site for information about

the Human Genome Project (1990-2003).

Gene

Gateway

tools for

exploring

the sequence

New Featuring

MSZ

Cele projektu

Identyfikacja

– wszystkich 20 tys. – 25 tys. genów w DNA

człowieka.

Oznaczenie

sekwencji 3 miliardów par zasad tworzących DNA

człowieka.

Zgromadzenie

tych informacji w formie bazy danych.

Ulepszenie

narzędzi potrzebnych do analizy danych.

Transfer

pokrewnych technologii do sektora prywatnego.

Zwrócenie uwagi na

problemy etyczne

, prawne i socjalne jakie

mogą powstać w wyniku projektu.

Wynik badań – 4 „a”

Accurate

– dokładny, pozbawiony błędów – bezbłędność 99,99%.

Assembled

– właściwie zmontowany – badania różnych

fragmentów DNA ponownie potem łączone.

Affordable

– przynoszący pożytek, stworzenie nowych

technologii.

Accessible

– bezpłatna baza danych z opisem produktu dostępna

dla każdego przez 24 h.

To, że kogoś znasz,

jest ważniejsze od
tego, co umiesz.

(551-479 p.n.e.)

MSZ

Bromatogenomika

– broma [gr.] - żywność

– genomika – opisywanie całych

zestawów genów

Żywność – jakość żywności

składniki naturalnie występujące

składniki celowo dodane

zanieczyszczenia
procesy technologiczne

GMO – żywność genetycznie

modyfikowana – GIS genetic
improved subjects

MSZ

Nutrigenomika

- nutri – od nutrition – żywienie

- genomika

nie jest akcentowana żywność
jako produkt spożywczy

poddany

procesowi

technologicznemu

Nutrigenomika – badania na poziomie –

komórki
tkanki
organizmu

Pytanie: jak żywienie zmienia

homeostazę organizmu?

MSZ

Strategie genomiczne

1)Podejście tradycyjne – poszukiwanie

specyficznych genów i białek, których
ekspresja jest pod wpływem składników
odżywczych;

narzędzia metabolomiki, transkryptomiki,
proteomiki

Modele zwierząt transgenicznych, linie
komórkowe.

Szczegółowe informacje na poziomie

cząsteczkowym o interakcji

pomiędzy

żywieniem a genomem.

MSZ

Strategie genomiczne

2) Podejście biologii systemowej – bardziej

teoretyczne spojrzenie.

Skatalogowanie genów, białek i metabolitów

odpowiadających składnikom odżywczym i
żywieniu; mogą one być wczesnymi
cząsteczkowymi biomarkerami zaburzeń w
homeostazie wywołanej przez składniki
pokarmowe.

Takie podejście ważniejsze dla żywienia
człowieka, ale trudniejsza – dostęp do
tkanek zdrowych osobników. Możliwość
analizy porównawczej.

MSZ

Bariera w identyfikacji cząsteczkowych
biomarkerów u ludzi – brak dostępności
do tkanek ludzi zdrowych.

Krew – łatwo dostępna.

Badania microarray - ludzkie limfocyty.

Limfochipy – diagnostyka medyczna.

Składniki odżywcze – słabe

sygnały,

ale długodziałające.

MSZ

SNPs – single nucleotide polymorphism
- zróżnicowanie w zapotrzebowaniu na
składniki odżywcze

Badania poziomu cholesterolu HDL i
LDL; zaburzenia w zapotrzebowaniu na
kwas foliowy.

Zróżnicowanie jednostek chorobowych:

monogeniczne i poligeniczne:

fenyloketonuria, cukrzyca/otyłość,
cukrzyca

MSZ

Wahadło zdrowia.
Determinanty ryzyka choroby niedokrwiennej serca i
raka

‘Wrażliwe’

geny

Złe odżywianie

podczas życia

płodowego

Wysokie czyn-

niki ryzyka

w stylu życia

Czas

‘Ochronne’

geny

Dobre odżywia-

nie podczas ży-

cia płodowego

Zdrowy

styl życia

Muller, 2005

Nutrigenomika – droga w kierunku spersonifikowanej diety?

Optymalne żywienie

Indywidualny genotyp
Użytkowany fenotyp

Styl życia
Jedz odpowiednio do swojego genotypu

Poprawa
Utrzymywanie

Zdrowia

OTYŁOŚĆ GŁÓWNY ŻYWIENIOWY PROBLEM

W KRAJACH ROZWINIĘTYCH

Jaki jest powód?

Czynniki środowiskowe

nadmierne spożycie żywności

mniejsza aktywność fizyczna
styl życia

Żywienie w okresie rozwoju?
Specyficzna składniki żywności?

Wewnętrzne czynniki

geny

Więcej niż

430

genów i rejonów w chromosomach jest

łączonych z fenotypem otyłości u ludzi.

Prawie

100

genów jest odpowiedzialnych

wprost za otyłość

http://obesity gene.pbrc.edu

Pallou, 2005

Żywność i termogeneza

Składniki podwyższające zdolność termogenezy:

indukcja UCPs ekspresji i funkcji –

karotenoidy, PUFA,

MCFA

Składniki żywności wzmagające adrenergiczną stymulację
Termogenezy i lipolizy

- stymulacja uwalniania NE z zakończeń sympatycznych
(

efedryna

)

- hamowanie degradacji pozakomórkowej NA
(

katechiny

w zielonej herbacie)

- hamowanie fosfdiesterazy cAMP
(

kafeina, teofilinma, teobromina

)

Niektóre składniki przypraw (

kapsaicyna

) i imbir

podwyższają termogenezę

(wzrost zużycia O

)

Najczęstszy typ cukrzycy typu 2

wiele genów o słabym efekcie działania

podwyższa ryzyko wystąpienia

Cukrzyca typu 2 – genetyka 2005

Monogeniczna postać cukrzycy typu 2 –
1 gen wywołuje cukrzycę

Liczba genów mających udział w powstaniu cukrzycy

Wielkość
efektu
na gen

Marju Orho-Melander, 2005

NOWA DEFINICJA ZESPOŁU METABOLICZNEGO WEDŁUG

INTERNATIONAL DIABETES FEDERATION (IDF)

U osoby z ZM muszą występować:
Otyłość centralna – zdefiniowana jako obwód w talii > 94 cm u Europejczyków i

> 80 cm u Europejek (dla innych grup etnicznych – odpowiednie
wartości)

oraz 2 z 4 następujących czynników:
zwiększone stężenie triglicerydów: > 150 mg/dl (1,7 mmol/l) lub leczenie tego

zaburzenia lipidowego

zmniejszenie stężenia cholesterolu HDL: < 40 mg/dl (1,0 mm0l/l) u mężczyzn i

< 50 mg/dl (1,3 mmol/l) u kobiet lub leczenie tego zaburzenia
lipidowego

podwyższone ciśnienie tętnicze: skurczowe > 130 mm Hg lub rozkurczowe

> 85 mm Hg lub leczenie rozpoznanego wcześniej nadciśnienia
tętniczego

zwiększone stężenie glukozy na czczo (FPG) > 100 mg/dl (5,6 mmol/l) lub

wcześniej rozpoznana cukrzyca typu 2

Jeśli FPG wynosi > 5,6 mmol/l (100 mg/dl) zdecydowanie zaleca się wykonanie
doustnego testu obciążenia glukozą, ale nie jest on konieczny do rozpoznania
Zespołu metabolicznego

Czy możemy zapobiec cukrzycy typu 2 przez zmianę
stylu życia?

TAK

Czy mamy dowody na to, że określając SNPs możemy
przewidzieć wystąpienie cukrzycy typu 2/zespołu
metabolicznego/śmierci z powodu chorób krążenia?

TAK

Czy mamy dowody na to, że SNPs modulują indywidualną
odpowiedź na dietę?

TAK

Marju Orho-Melander, 2005

MSZ

Roślina

Gen

Funkcja genu

Działanie

długofalowe

Herbata

HER-2

Stymulacja

wzrostu

komórek

Zmniejsza

aktywność genu w

komórkach

rakowych

Produkty roślinne bogate w składniki mające

wpływ na geny człowieka

Zielona herbata wycisza
geny sprzyjające rozwojowi
raka jajnika poprzez
zmniejszenie aktywności
genu HER-2

MSZ

Roślina

Gen

Funkcja genu

Działanie

długofalowe

Czosnek

Zespół genów Regulacja

enzymów fazy I

Obniżenie

aktywności

działania enzymów –

wolniejsze

tworzenie

produktów

przemiany –

obniżenie

rakotwórczego

działania

Produkty roślinne bogate w składniki mające

wpływ na geny człowieka

Substancje chemiczne z czosnku mają
wpływ poprzez geny na enzymy fazy I.
Obniżają ich aktywność. Efektem

działania jest wolniejsze tworzenie
produktów przemiany – obniżenie
rakotwórczego działania

MSZ

Roślina

Gen

Funkcja genu

Działanie

długofalowe

Brokuły

GST

Produkcja

silnego

przeciwutleniacz

a glutationu

Zwiększenie ilości

glutationu

zapobiega

zwyrodnieniu tętnic

Zespół

genów

Regulacja

enzymów fazy II

Zwiększenie

aktywności

enzymów II fazy

Produkty roślinne bogate w składniki mające

wpływ na geny człowieka

Związki zawarte w
brokułach stymulują
geny odpowiedzialne za
produkcję glutationowej
s-transferazy (GST).

MSZ

Roślina

Gen

Funkcja genu

Działanie

długofalowe

Soja

m.in. P53

(ogółem 123

geny)

Niszczenie

zmutowanych

komórek

Zwiększona

aktywność genu

hamuje

powstawanie

nowotworu

Produkty roślinne bogate w składniki mające

wpływ na geny człowieka

Zawarte w soi białko lunazyna podwyższa
aktywność 123 genów w gruczole
krokowym, hamując wzrost nowotworu i
zapoczątkowują proces naprawy
uszkodzonego DNA.

MSZ

Roślina

Gen

Funkcja genu

Działanie

długofalowe

Kurkumina

Cox-2

Udział w

stanach

zapalnych

Pozwala zapobiegać

powstawaniu raka

jelita grubego,

chorobie Alzheimera

Produkty roślinne bogate w składniki mające

wpływ na geny człowieka

Kurkumina znajduje się w
przyprawie curry wycisza geny
odpowiedzialne za stany
zapalne. Przeciwdziała
powstaniu beta-amyloidu w
chorobie Alzheimera.

Jeśli coś wiesz,

przyznaj, że wiesz. Gdy

zaś czegoś nie wiesz,

przyznaj, że nie wiesz.

Oto prawdziwa wiedza.

Konfucjusz

(551-479 p.n.e.)

MSZ

Nutrigenomika

badanie charakterystycznych zróżnicowań
transkrypcji sprowadza się do:

- ścieżek sygnałowych

- czynników jądrowej transkrypcji

- mechanizmów metabolizmu regulacji
składników
odżywczych

Model

-kultura
komórkowa

-mysz
transgeniczna

-organizm
człowieka

odżywianie

bioaktywne

Analiza

-transkryptom
ika

-proteomika

-metabolomik
a

Biomarkery
Cele,
obiekty
Bioaktywne
składniki

Biologia układów

badanie kompleksowych zmian w złożonych
parametrach sprowadza się do:

- dynamicznego opisu zakłóceń homeostazy

- badania wczesnych różnorodnych prewencyjnych
biomarkerów

- przyłącza nutrigenomikę do fizjologii żywienia

+/
-

MSZ

Bioaktywne

komponenty

żywności

DNA

RNA

Białko

Metabolit

Epigenomika
żywieniowa

Transkryptomik
a
żywieniowa

Nutrigenetyka

Proteomika

Metabolomika

N
U

N
O

K
A

Nutrigenetyka,
epigenomika
żywieniowa,
transkryptomika
żywieniowa,
proteomika, metabolomika
są niezbędne do zrozumienia
roli żywienia w karcinogenezie.

K
A
R
C
I
N
O
G
E
N
E
Z
A

MSZ

Ekspresja genów

odpowiedź metaboliczna

Stan

zdrowia i choroby

Czynniki

środowiskowe

Spożycie

składników

odżywczych

Zapotrzebowanie

na składniki

odżywcze

Genom

człowieka

Interakcja pomiędzy genomem człowieka i żywieniem.

MSZ

Błędy

transkrypcji i mitozy

Pro-karcinogen

Karcinogen

Wolne rodniki

Apoptoza

Wstrzymanie

cyklu komór-

kowego

Naprawa

DNA

Uszkodzenie genomu

- mutacje

- metylacje odbiegające od
normy
- uszkodzenia chromoso-
mów
- skrócenie telomerów

Nowotwory mogą wzrastać jeśli uszkodzenie genomu nie zostanie naprawione.

Na wszystkie te procesy może wpływać żywienie.

MSZ

Klasa

Bioaktywny

składnik

Źródło żywieniowe

Witaminy

Witamina D
Kwas foliowy
Witamina A
Witamina E
Witamina C

Produkty mleczne
Warzywa
Warzywa
Oleje roślinne
Warzywa, owoce

Składniki mineralne

Wapń
Selen
Cynk

Produkty mleczne, warzywa
Ziarna zbóż, mięso, ryby
Mięso, warzywa

Karotenoidy

Likopen
Luteina
beta-karoten

Pomidory
Warzywa ciemnozielone
Warzywa pomarańczowo-
żółte

Flawonoidy

Genisteina
Rezweratrol
Kwercetyna

Soja i produkty sojowe
Winogrona i czerwone wino
Warzywa, owoce

Siarka organiczna

Allyl sulfur
Diallyl sulphide

Cebula i jej rodzina
Czosnek

Izotiocyjaniany

Izotiocyjanian allylu
sulforfan

Kapusta
Brokuły

Kwasy fenolowe

Kurkumina
Kwas chlorogenowy

Curry, mustard
Owoce, kawa, soja

Wybrane składniki bioaktywne, które mogą oddziaływać

na komórki nowotworowe i ich zachowanie

MSZ

Problem/związek

Gen

OMIM

Lipidy, dieta, palenie,

płeć

Apolipoproteina–A1

107680

Lipidy, dieta, płeć

Apolipoproteina–A4
Apolipoproteina–Ab

107690
107730

Lipidy, dieta

Receptor LDL

606945

Akohol

Dehydrogenaza

alkoholowa-3

103730

Dieta

Lipaza wątrobowa

151670

Przykładowe geny analizowane w badaniach nad wpływem
diety na czynniki genetyczne lub w innych badaniach
żywieniowych.

MSZ

Przykłady interakcji dieta – geny.

Gen

Dieta

Genotyp

Regulacja

Aa1:Ac

Ya1:Ycr Aa1:Ya1 Acr:Yc

Cyclin MCS2

N-Ras

CYP27 (hydroksylaza

sterolu)

Receptor interleukiny-

Kinaza-2 janus

Beta-łańcuchowa

syntaza adenozyno

trifosforanu

2,7

0,4

0,1

6,7

3,2

0,4

3,4

0,3

0,4

10,4

0,2

Genotyp

Dieta

Dieta w 1

genotypie

Genotyp w

1 diecie

Genotyp x

środowisko

Genotyp x

środowisko

A – agouti (A/a) mysz; Aa1:Acr, stosunek ekspresji genów w wątrobie z myszy agouti karmionej 100% kalorii podzielona przez ich ekspresję u agouti myszy karmionych dietą
70% kalorii; cr, ograniczenie kalorii (70% kalorii); Y; obese yellow myszy (Avy/A) myszy karmione ad libitum.

MSZ

Wpływ różnych dawek witaminy C na metabolizm w organizmie świnek

morskich rasy Hartley, u których rozwija się stan zapalny stawów i kości

w okresie ich życia. Wyniki analizy wieloczynnikowej spektrum NMR

składników moczu po usunięciu różnych egzo- i endogennych metabolitów

witaminy C.

MSZ

Określenie optymalnego stężenia mikroskładnika

odżywczego potrzebnego do stabilności genomu:

badania in vitro

Limfocyty, fibroblasty, komórki macierzyste

Dawka-odpowiedź dla każdego składnika odżywczego stosując

wyczerpujące oznaczenia CBMN w celu pomiaru linii bazowej

stabilności genomu i wydolności naprawy DNA

CBMN – oznaczenie blokowania cytokinezy mikrojądra.
Dawka – odpowiedź – wyznaczenie ważne dla szacowania cytotoksyczności.

Optymalne stężenie mikroskładników odżywczych dla

stabilności genomu

MSZ

Określenie normy żywienia dla stabilności genomu:

badania in vivo

Identyfikacja populacji wysokiego ryzyka

(np. jednostki z wysokim stosunkiem uszkodzeń DNA i/lub

posiadający niewydolny mechanizm naprawy DNA)

Kontrola-placebo interwencja z podwyższonymi dawkami powyżej

wydłużonego okresu czasu, zależna od stopnia obrotu metabolicznego

w badanej tkance (np. 3 tygodnie dla komórek policzkowych)

Oznaczenie uszkodzeń genomu stosując biomarkery uszkodzenia

komplementarnego DNA w celu zidentyfikowania dawki mikroskładnika

odżywczego, dla którego określona jest osiągana stabilność genomu

MSZ

Piśmiennictwo

http://ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/
http://www.ncbi.nlm.mih.gov/
Cousins R,J,, Blanchard R.K., Moore J.B., Cui L., Green C.L., Liuzzi J.P., Cao J., Bobo J.A. Regulation of zinc
metabolism and genomic outcomes. J. Nutr. 2003, 133, 1521S-1526S.
Davis C.D., Milner J. Frontiers in nutrigenomics, metabolomics and cancer prevention. Mutat. Res. 2004,
551, 51-64.
Fenech M. Nutritional treatment of genome instability: a paradigm shift in disease prevention and in the
setting of recommended dietary allowances. Nutr. Res. Rev. 2003, 16, 109-122.
Green M.R., van der Ouderaa F. Nutrigenetics: where next for the foods industry. Pharmacogenomics J.
2003, 3, 191-193.
Kaput J. Diet-disease gene interactions. Nutrition 2004, 20, 26-31.
Kaput J., Rodriguez R.I. Nutritional genomics: the next frontier in the postgenomic era. Physiol. Genomics
2004, 16, 166-177.
Kornman K.S., Martha P.M., Duff G.W. Genetic variations and inflammation: a practical nutrigenomics
opportunity. Nutrition 2004, 20, 44-49.
Mathers J.C. The biological revolution – towards a mechanistic understanding of the impact of diet on
cancer risk. Mutat. Res. 2004, 551, 43-49.
Milner J.A. Incorporating basic nutrition science into Health interventions for cancer prevention. J. Nutr.
2003, 133, 3820S-3826S.
Milner J.A. Molecular targets for bioactive food components. J. Nutr. 2004, 134, 2492S-2498S.
Muller M., Kersten S. Nutrigenomics: goals and strategies. Nature Rev. 2003, 4, 315-322.
Van Ommen B. Nutrigenomics: exploiting systems biology in the nutrition and health arenas. Nutrition,
2004, 20, 4-8.
Ordovas J.M., Corella D. Nutritional genomics. Ann. Rev. Genomics Hum. Genet. 2004, 5, 71-118.
Roche H.M. Dietary lipids and gene expression. Biochem. Soc. Transac. 2004, 32, 6, 999-1002.
Swanson K.S., Schook L.B., Fahey G.C. Jr. Nutritional genomics: implications for companion animals. J. Nutr.
2003, 133, 3033-3040.

Document Outline