Adobe Systems 1 Genetika ve výživě I Julie Dobrovolná. Ústav patologické fyziologie LF MU vasku.julie@seznam.cz Populační genetika * genetická struktura populace * Populační genetika * genetická struktura populace * Populace – skupina jedinců, kteří se mohou navzájem křížit * Skupina jedinců, kteří se mohou navzájem křížit Populační genetika * genetická struktura populace * alely * genotypy * Vzorce genetických variací v populaci * Změny genetické struktury v čase * Outline 2 lectures Why is gen var important? * frekvence genotypů * frekvence alel * Popis genetické struktury rr = bílá = Rr = růžová RR = červená ph01221j * frekvence genotypů * frekvence alel * Frekvence genotypů: 200/1000 = 0.2 rr 500/1000 = 0.5 Rr 300/1000 = 0.3 RR Celkem 1000 rostlin Popis genetické struktury 200 bílá = 500 růžová 300 červená ph01221j * frekvence genotypů * frekvence alel * Alelové frekvence: 900/2000 = 0.45 r 1100/2000 = 0.55 R Celkem 2000 alel Popis genetické struktury 200 rr = 400 r = 500 Rr = 500 r 500 R 300 RR = 600 R ph01221j Pro populaci s genotypy: * * 100 GG * * 160 Gg * * * 140 gg * * * Frekvence genotypů * * * Frekvence fenotypů * * Frekvence alel * Vypočtěte: an02542_ Pro populaci s genotypy: * * 100 GG * * 160 Gg * * * 140 gg * * * Frekvence genotypů 100/400 = 0.25 GG 160/400 = 0.40 Gg 140/400 = 0.35 gg * Frekvence fenotypů 260/400 = 0.65 zelená 140/400 = 0.35 hnědá * Frekvence alel 360/800 = 0.45 G 440/800 = 0.55 g * * Vypočtěte: an02542_ 0.65 260 Jiný způsob výpočtu alelických frekvencí: * * 100 GG * * 160 Gg * * * 140 gg * * Frekvence fenotypů 0.25 GG G 0.25 G 0.40/2 = 0.20 0.40 Gg g 0.40/2 = 0.20 0.35 gg g 0.35 * Frekvence alel 360/800 = 0.45 G 440/800 = 0.55 g OR [0.25 + (0.40)/2] = 0.45 [0.35 + (0.40)/2] = 0.65 * an02542_ Populační genetika * Co je to populační genetika? * Výpočtěte –genotypové frekvence –alelické frekvence * Proč jsou genetické varianty důležité? * Jak se genetická struktura mění? * * * * * * ü ü Genetické změny v prostoru Frekvence alel Mdh-1 u kolonií šneků ve dvou městských blocích Změna frekvence alely F v lokusu Lap V populacích stepních hrabošů během tří let Genetické změny v čase a prostoru • Jak se mění genetické varianty v čase a prostoru Proč jsou genetické varianty důležité? Potenciál změny genetické struktury * Adaptace na změny okolního prostředí konzervace * Divergence populací biodiverzita * * variace Žádné variace VYHYNUTÍ oteplování přežití Proč jsou genetické variace důležité? variace Žádné variace Proč jsou genetické varianty důležité? variace Žádná variace divergence Žádná divergence!! Proč jsou genetické variace důležité? Jak se genetická struktura mění? * Jak se genetická struktura mění? * Změny frekvence alel a/nebo genotypů v čase * Jak se genetická struktura mění? * Změny frekvence alel a/nebo genotypů mutace migrace přirozený výběr genetický drift nenáhodné párování * Jak se genetická struktura mění? * mutace * migrace * přirozený výběr * genetický drift * nenáhodné párování * Spontánní změna DNA * vznik nových alel zásadní zdroj veškerých * Variací v DNA * * Jak se genetická struktura mění? * mutace * migrace * přirozený výběr * genetický drift * nenáhodné párování * Jednotliví jedinci přicházejí do populace * přinášejí nové alely * “tok genů” * * Jak se genetická struktura mění? * mutace * migrace * přirozený výběr * genetický drift * nenáhodné párování * Určité genotypy mají více potomků * rozdíly v přežití nebo rozmnožování Rozdíly ve“fitness” * adaptace * Přirozený výběr * Rezistence k antibakteriálnímu mýdlu generace 1: 1.00 bez rezistence 0.00 rezistentní * Přirozený výběr * Rezistence k antibakteriálnímu mýdlu generace 1: 1.00 bez rezistence 0.00 rezistentní generace 2: 0.96 bez rezistence 0.04 rezistentní * mutace! Přírodní výběr * Rezistence k antibakteriálnímu mýdlu generace 1: 1.00 bez rezistence 0.00 rezistentní generace 2: 0.96 bez rezistence 0.04 rezistentní generace 3: 0.76 bez rezistence 0.24 rezistentní * Přírodní výběr * Rezistence k antibakteriálnímu mýdlu generace 1: 1.00 bez rezistence 0.00 rezistentní generace 2: 0.96 bez rezistence 0.04 rezistentní generace 3: 0.76 bez rezistence 0.24 rezistentní generace 4: 0.12 bez rezistence 0.88 rezistentní * divergence Přírodní výběr může vést k divergenci populací Jak se genetická struktura mění? * mutace * migrace * přírodní výběr * genetický drift * nenáhodné párování * Genetická změna vzniklá náhodou * chyba při výběru vzorku nevhodná interpretace malé populace * Genetický drift * Před: * 8 RR 0.50 R * 8 rr 0.50 r * Po: * 2 RR 0.25 R * 6 rr 0.75 r * * * * * * * mutace * migrace * přírodní výběr * genetický drift * nenáhodné párování * Jak se genetická struktura mění v čase? Způsobují změny frekvence alel * Párování spojuje alely do Genotypů nenáhodné párování nenáhodné kombinace alel * * Jak se genetická struktura mění? * mutace * migrace * přírodní výběr * genetický drift * nenáhodné párování * * * Alelové frekvence: A = 0.8 A = 0.2 * Frekvence genotypů: AA = 0.8 x 0.8 = 0.64 Aa = 2(0.8 x0.2) = 0.32 aa = 0.2 x 0.2 = 0.04 * AA x AA AA aa x aa aa AA 0.8 x 0.8 Aa 0.8 x 0.2 aA 0.2 x 0.8 A 0.8 A 0.8 a 0.2 a 0.2 aa 0.2 x 0.2 A A A A A A A A a a GENOM * Genom * 3 miliardy párů DNA bází * 23 párů chromozómů * 20000–25000 genů * Lidský genom byl sekvenován: * Krevní vzorky od několika dobrovolníků * -ATTCCGACCAATTGC * VARIABILITA DNA * 99.9 % párů nukleotidových bází je u všech lidí totožných 0.1 % zodpovídá za fenotypické rozdíly ~ více než milion míst, kde se vyskytují rozdíly na úrovni jednoho nukleotidu (SNP) * Např. AGGCCTA na AGGCTTA * Tyto mohou vést k onemocnění a modulovat odpověď na: patogeny léky cvičení výživu * JSME IDENTIČTÍ? * Doporučení vycházejí z předpokladu, že lidé jsou kulturně etnicky socioekonomicky geneticky * identiční * TO ALE NENÍ PRAVDA * STRAVA pyramid_usda PARADIGMA MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE * DNA * * RNA * * PROTEIN * * METABOLIT * GENOMIKA GENETIKA EPIGENETIKA TRANSKRIPTOMIKA PROTEOMIKA METABOLOMIKA METABOLICKÝ ÚČINEK VÝŽIVY img004 Worm Research To Fight Obesity GENY-ŽIVOTNÍ STYL About 40 percent overweight! A typical obese cat... 28 pounds! People get too fat when they eat too much and don't get enough exercise. VÝŽIVA A ZDRAVÍ: HISTORIE A TRENDY * 1900 – Detekce-prevence selektivních nutričních deficitů, např. vit. A, železo * 1970 – vyvážené diety dodávka dostatečného množství živin (polysacharidy, tuky, proteiny, mineraly, vitaminy. Nutritiční doporučení “Schijf van 5” * 1990 – výhody specifických stavěných diet“ jde za vyváženou dietu”– bere v úvahu roli ne-nutrientů Nárůst specificky fungujících diet na trhu Nárůst zájmu o terapii výživou * HISTORIE: POKRAČOVÁNÍ * Asociace mezi výživou a chronickým onemocněním (Ignatovski –1908) * První příklady prokazatelného vztahu výživy k rozvoji onemonění (disease-causing): Galaktosémie (1917) Fenylketonurie (1934) * Human Genome Project and SNPs (1998) Galactosemia –accumulation of galactose in the blood results in mental retardation – diets low in lactose PKU – accumulation of phenylalanine in the blood results in neurological damage – diets low in phenylalanine Both are single gene traits and are easy to identify and treat by changes in diet site_graphic CO JE NUTRIGENOMIKA? * Jezte správně pro váš genotyp, vaše genetické pozadí * “Dříve byly chytré léky...” * * AnneHart_Cover NUTRIGENOMIKA VS. NUTRIGENETIKA Nutrigenomika * “Nutrigenomika se zabývá aplikací genomiky v nutričním výzkumu, umožňuje poznání souvislostí mezi specifickými nutrienty a genetickými faktory, např. zkoumá způsob, jakým potrava nebo složky potravy ovlivňuji genovou expresi. Nutrigenomika by měla umožnit lepší porozumení způsobu, jakým výživa ovlivňuje metabolické cesty a jakým způsobem toto souvisí s chorobami, u nichž existuje souvislost s výživou.” Chadwick R. (2004) Proceedings of the Nutrition Society 63:161-166. Nutrigenetika * “Nutrigenetika se zabývá studiem individuálních rozdílů na genetické úrovni, které ovlivňují odpověď na přijímanou stravu. Tyto individuální rozdíly jsou spíše na úrovni SNP polymorfismů než na úrovni poškození celého genu. Nutrigenomika by měla umožnit individualizované nutriční poradenství. “Chadwick R. (2004) Proceedings of the Nutrition Society 63:161-166. NUTRIGENOMIKA VS. NUTRIGENETIKA Nutrigenomika * “Nutrigenomics se pokouší studovat vlivy výživy na úrovni celého genomu….(a) má za cíl identifikovat geny, které ovlivňují riziko onemocnění se vztahem k výživě na celogenomové úrovni… má za cíl porozumět mechanismům, které jsou podkladem těchto genetických predispozic.“ Muller M & Kersten S. (2003) Nature Reviews Genetics 4:315-322. Nutrigenetika * “Nutrigenetika zkoumá účinek genetických variací na interakci mezi stravou a onemocněním nebo nutričními požadavky. Genetika má zásadní úlohu pro identifikaci individuálního rizika rozvoje určitého onemocnění.“ Muller M & Kersten S. (2003) Nature Reviews Genetics 4:315-322. NUTRIGENOMIKA VS. NUTRIGENETIKA Nutrigenomika * “Nutrigenomika popisuje použití prostředků funkční genomiky pro zkoumání biologického systému po vydání nutričního signálů, což umožní porozumět mechanismu, jakým molekuly z potravy ovlivňuje metabolické dráhy a kontrolu homeostázy.“ Mutch D, et al. (2005) FASEB Journal 19:1602-1616. * “Nutrigenomika se zaměřuje na efekt složek potravy na genom, proteom a metabolom.” Ordovas J & Mooser M. (2004) Current Opinion in Lipidology 15:101-108. * Nutrigenetika * “Nutrigenetika představuje vědu zabývající se identifikací a charakterizací genových variant souvisejících s různou odpovědí na různé nutrienty a zaměřuje se na hledání souvislostí mezi těmito variace a stavem onemocnění.” Mutch D, et al. (2005) FASEB Journal 19:1602-1616. * “Nutrigenetika zkoumá účinek genetických variací na interakci mezi stravou a cvičením. To zahrnuje…. genové varianty související nebo zodpovědné za diferencovanou odpověď na nutrienty ve stravě.“ Ordovas J & Mooser M. (2004) Current Opinion in Lipidology 15:101-108.. NUTRIGENOMIKA VS. NUTRIGENETIKA * Genomika: studie lidského genomu * Geny taktéž determinují, jakým způsobem výživa ovlivňuje zdraví, event. souvisí s nemocí * Komerční potenciál: Individualizované nutriční poradenství Individuálně sestavené produkty NUTRIGENOMIKA: PRINCIPY * Látky obsažené v potravě (mikro- i makronutrienty) působí přímo či nepřímo na lidský genom a mění tak jeho strukturu či genovou expresi. * Za určitých okolností může být dieta u některých jedinců významným rizikovým faktorem vzniku řady chorob. * Některé z cílových genů látek obsažených v potravě hrají pravděpodobně roli v nástupu, incidenci, průběhu a závažnosti některých chronických chorob. * Míra vlivu diety na rovnováhu mezi stavem zdraví a nemoci může záviset na konkrétní genetické výbavě jednotlivce. * * Nutriční intervence založená na znalosti jak konkrétního nutričního stavu a potřeb, tak genotypu (individualizovaná výživa) může být užita k prevenci, zmírnění nebo léčení chronických nemocí. * NUTRIGENOMIKA: NÁSTROJE * expresní profilování genů – transkriptomu, např. pomocí expresních cRNA nebo cDNA čipů, analogické postupy vyvinuty pro sledování exprese na úrovni proteinů (proteomu – především dvojrozměrná elektroforéza a různé formy hmotnostní spektrometrie) a metabolitů (metabolomu) = dietní otisky, signatury * populační izoláty, u kterých je omezena genetická variabilita, umožňují detailní analýzu samotné genetické komponenty komplexních metabolických onemocnění už bez zahrnutí její interakce s prostředím (tj. dietou v případě nutriční genomiky), např. Huterité (původně tyrolská komunita, žijící nyní v oblastní Jižní Dakoty, držící se velmi striktně původní receptů a způsobů přípravy potravy * Geneticky definované savčí modely: potkan, myš NUTRIGENOMIKA: NOVÁ DEFINICE * Nutrigenomika zkoumá celogenomové vlivy a interakce ovlivněné výživou * Z perspektivy nutrigenomiky jsou nutrienty dietní signály, jež jsou detekovány buněčnými systémy, které ovlivňují genovou a proteinovou expresi a postupně produkci specifických metabolitů * Vzorce genové exprese, proteinové exprese a produkce metabolitů v odpověďi na přítomnost určitých nutrientů nebo určitých nutričních režimů se označuje jako „dietní podpis=otisk“ * Nutrigenomika se pokouší tyto deitní otisky ve specifických buňkách, tkáních a organizmech studovat a pochopit, jakým způsobem výživa ovlivňuje homeostázu * Nutrigenomika má za cíl identifikovat ty geny, jež ovlivňují riziko dietně závislých onemocnění v celogenomovém měřítku a pochopit mechanismy, které jsou podkladem těchto genetických predispozic Müller M, Kersten S. Nutrigenomics: Goals and Perspectives. Nature Reviews Genetics 4, 315 -322 (2003) > NUTRIGENOMIKA * Studuje, jak různé složky potravy mohou interagovat s určitými geny a zvyšovat tak riziko onemocnění jako je diabetes II. Typu, obezita, kardiovaskulární choroby a některé typy nádorových onemocnění Cíl : použít personalizované diety k prevenci nebo oddálení nástupu onemocnění a optimalizaci a udržení lidského zdraví * http://nutrigenomics.ucdavis.edu/pressarticles.htm VÝŽIVA A REGULACE GENOVÉ EXPRESE * Přichází éra nutrigenomiky: byl popsán a charakterizován genom člověka a několika rostlin a geneticky modifikované potraviny jsou nyní hojně dostupné * Nové genomické technologie umožnily výzkum nutriční modulace nejrůznějších patofyziologických drah prostřednictvím nutrientů, mikronutrientů a dalších látek * NUTRIGENETIKA A NUTRIGENOMIKA – DVĚ STRANY TÉŽE MINCE Mutch D, et al. (2005) FASEB Journal 19:1602-1616. Nutrigenomics - 1 NUTRIGENOMIKA – NOVÁ VLNA V NUTRIČNÍM VÝZKUMU * Potravinářské a farmaceutické společnosti již na celosvěové úrovni rozpoznaly komerční potenciál nutrigenomiky a začaly vyvíjet výrazné výzkumné úsilí. * Components with established efficacy Research based on epidemiology 1. generace Doplňky: • vitamínové doplňky • obohacení vápníkem • vláknina • Research based on safety and efficacy assessment: ‘discovery’ of positive effects of food compounds Active component(s) identified or the efficacy confirmed may not have been 2. generace Celé potraviny: • brokolice • jogurt • zelený čaj • celozrnné produkty •Nově vytvořené funkční součásti / potraviny založené na mechanisticky prokázané účinnosti •Výzkum zaměřený na „farmaceutický“’ screening: účinek, cílený vývoj, řízená optimalizace, biologická dostupnost 3. generace „enhanced“ potraviny: • nové složení? • nové produkty? • ?? POTRAVINÁŘSKÝ PRŮMYSL SMĚŘUJE K VYTVOŘENÍ TŘETÍ GENERACE TZV. FUNKČNÍCH POTRAVIN Symptomy: zvýšený LDL v plazmě, srdeční obtíže Celý organismus Empirické poznatky screening Mechanismus je „černá skříňka“ Rozpustná vláknina Rostlinné steroly statiny ω-3 mastné kyseliny Hladina cholesterolu tělo TRADIČNÍ ZKOUMÁNÍ BIOLOGICKÝCH CEST V RÁMCI JE MNOHOSTUPŇOVÝ PROCES Funkční genomika Složení potravy RNA Regulace translace, zpracování, stability, transportu mRNA DNA Genová regulace, transkripční kontrola SNP, interakce s histony Metabolit Množství funkcí Sekvenování, genotypizace transkriptomika (“genomika”) proteomika metabolomika Protein Interakce s receptorem, genová kontrola, signální transdukce, Enzymatická regulace inhibice, mod ifikace Regulace transportu Interakce kanálů/pump ÚČINEK SLOŽEK POTRAVY NA ZDRAVOTNÍ STAV BÝVÁ NEJČASTĚJI SPOJEN SE SPECIFICKÝMI INTERAKCEMI NA MOLEKULÁRNÍ ÚROVNI VYBRANÉ PŘÍKLADY NUTRIGENOMICKÝCH PROJEKTŮ * Složky funkční potravy jakožto prevence kolorektálního karcinomu * Genomický přístup pro zdravé střevo. Efekt probiotik na stav střeva u savců. * Hledání biomarkerů indikujících obezitu (součást obezitologického programu) * Hodnocení benefit-risk u flavonoidů v potravě a jejich použití jako funkční součást potravy. Vývoj funkčního biomarkeru na základě genomického přístupu. * Analýza metabolomu hub pro identifikaci enzymu indukujícího a neindukujícího růstové podmínky * Metabolomika bakterií pro produkci metabolitu a mlékařského produktu * Transkriptomika kvality sladového ječmene (cDNA array) * Metabolomika součástí gingko biloba a cannabis * NUTRI-GENOMIKA Vývoj biomarkeru Člověk in vitro hledání nových bioaktivních látek Kvalita potravy ZpracováníPotravy Výroba potravních ingrediencí Genotypizace Testování bezpečnosti Testování účinnosti NUTRIGENOMIKA van Ommen B. (2004) Nutrition 20:4-8. 100 50 0 % Energie Nízkotučné maso Kuře Vejce Ryby Ovoce Zelenina Ořechy Med 100 50 0 % Energie Ovoce Zelenina Fazole Maso Kuře Ryby Obiloviny Mléčné výrobky Jednoduché cukry Oleje, tuky Alkohol 1.200.000 generací pod hrozbou hladomoru Paleolit 2-3 Generací v relativním nadbytku Současnost Frites j0144215 STEJNÉ GENY, RŮZNÁ STRAVA GENOMIKA – VĚDA O GENOMU NUTRIGENOMIKA targeted_ani KOMPLEXNI PROBLÉMY JEDNODUCHÉ OTÁZKY „PERZONALIZOVANÉ“ STRAOVÁNÍ? NUTRIGENOMIKA Cílové geny Mechanismy Cesty Biomarkery Strava Výživa Molekulární výživa a genomika Biologie systémové výživy •identifikace výživových složek •Identifikace senzorů pro tyto složky •Identifikace cílových genů •Rekonstrukce signálních cest Malé výzkumné subjekty, malé rozpočty • •měření stresových signálů, reakcí •Identification of early biomarkers •Velká výzkumná konzorcia komplexnost STRATEGIE NUTRIGENOMIKY 80-100000 proteinů 20-25000 genů 100000 transkriptů 50000 (?) metabolitů