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Seminario Tópicos de Nutrición

Date post: 07-Jul-2015
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Doctorado en Acuicultura

Seminario Tpicos de Nutricin de Peces Versin 2011

Nutrigentica y Nutrigenmica La relacin entre la alimentacin, la salud y la genmica

Nombre Fecha Coordinador

: : :

Cecilia Oate Bustos 28 Julio 2011 Jurij Wacik

Revisin Nutricin y Acuicultura En la industria acucola, aproximadamente el 60 % de costos de produccin corresponden a alimentacin. Actualmente, los alimentos artificiales de especies acucolas se componen principalmente de harina de pescado. Dado su alto nivel y calidad de sus protenas. Las harinas y aceites de pescado son productos qumicos de origen natural obtenidos de la reduccin de pesca pelgica. Con la consiguiente produccin de una lnea de alimentos proteicos, vale decir las harinas de pescado y de una lnea de productos grasos o sea el aceite de pescado. Ambos productos son utilizados en la formacin de alimentos balanceados para la nutricin animal ya sea de productos acucolas, de aves, de cerdos y de animales domsticos. Actualmente, los desafos tecnolgicos se basan en la sustitucin de harina y aceites de pescado ya que existe una presin sobre el uso sustentable de las fuentes de pesca disponibles. Pero al hacer esto, estamos removiendo compuestos esenciales y adicionando factores antinutricionales (FAN), disminuyendo la digestabilidad y proporcionando un desbalance aminoacdico, entre otros. Por lo que para abordar el diseo de dietas con mayores niveles de reemplazo del aceite de pescado por aceites vegetales adems de requerir un mayor esfuerzo de investigacin para asegurar un nivel adecuado de cidos grasos omega-3 (EPA y DHA) en el msculo del salmn por ejemplo y un buen rendimiento productivo de los peces. Se hace necesario incorporar nuevas herramientas al diseo de estas dietas, herramientas genmica y genticas para obtener organismos eficientes en la asimilacin y utilizacin de protenas y aceites vegetales en su alimentacin, lo que involucra el anlisis de patrones de expresin gnica sometiendo a los individuos a dietas con distintos niveles de reemplazo por protenas y aceites de origen vegetal, seleccionar genes que se expresen diferencialmente en relacin con la utilizacin de alimentos con protenas y lpidos vegetales, identificando marcadores SNPs en estos genes y validarlos como marcadores moleculares tiles para genotipar familias de organismos. Todo lo anterior a llevado a lo que hoy se conoce como CIENCIAS OMICAS Ciencias micas La aplicacin de las tcnicas de la biologa molecular y el xito del proyecto Genoma Humano han abierto una nueva era tanto en medicina como en nutricin. Hasta la fecha, al menos se han identificado y caracterizado parcialmente 1.000 genes humanos causantes de enfermedades; se sabe que el 97% de ellos causa enfermedades monognicas. Sin embargo, otras enfermedades, como la obesidad, la enfermedad cardiovascular, la diabetes o el cncer, se deben a interacciones complejas entre diversos genes y a factores ambientales. En este sentido, las ciencias de la nutricin estn descubriendo las que se han denominado ciencias micas (tabla 1). Impulsados por las recientes revelaciones del proyecto Genoma Humano y los desarrollos tecnolgicos asociados, el genotipado, la transcriptmica, la protemica y la metabolmica ahora estn disponibles para utilizarlos en la investigacin en nutricin. En el futuro se ver la utilizacin de nuevas herramientas para la seleccin de nutrientes bioactivos, nuevos marcadores para definir in vivo la eficacia de los nutrientes, adems de un mejor conocimiento de la influencia de los polimorfismos genticos en el metabolismo de los nutrientes. As pues, la industria alimentaria tiene la oportunidad de utilizar los componentes

bioactivos de los alimentos para mejorar la salud y evitar enfermedades, teniendo en cuenta la constitucin gentica de los consumidores. Esta nueva era de la nutricin molecular (interacciones genes-nutrientes) puede crecer en diversas direcciones, aunque hay 2 esenciales. Por un lado, el estudio de la influencia de los nutrientes en la expresin de genes (nutrigenmica), y del otro, conocer la influencia de las variaciones genticas en la respuesta del organismo a los nutrientes (nutrigentica). Tabla 1: Descripcin de las Ciencias micas que han generado un cambio cuantitativo apreciable en el anlisis de la genmica nutricional.

Nutricin, genes y salud La nutricin es un proceso complejo que permite el ciclo de la vida, al que abastece de sustancias que participan como fuentes de energa en la estructura celular y para el control del metabolismo, para mantener as la funcin y la homeostasis corporal. Segn algunos autores, como Bourges, el estado nutricional es un fenotipo resultado de la interaccin entre la informacin gentica de cada persona, su medio fsico, biolgico, emocional y social. Los factores ambientales involucrados en la homeostasis de los organismos son varios, entre los que destaca la dieta, que influye en la incidencia de enfermedades crnicas comunes. Los alimentos ingeridos tienen miles de sustancias biolgicamente activas, muchas de las cuales pueden tener un potencial benfico para la salud y, en algunos casos especiales, incluso pueden ser deletreos. De esta manera, la salud o la enfermedad dependen de la interaccin entre la gentica y el medio, lo que da lugar al fenotipo. En este sentido, numerosos estudios epidemiolgicos confirman la existencia de cierta asociacin entre la dieta ingerida y la incidencia y gravedad de las enfermedades crnicas, aunque no resulta fcil distinguir cules son las molculas bioactivas de los alimentos que ejercen determinadas acciones beneficiosas. Como ejemplo de la complejidad de una comida simple, estn los cientos de compuestos del aceite de oliva, cuya variedad y concentracin de cidos grasos, triglicridos, esteroles, steres de esterol y tocoferoles garantizan una amplia diversidad de funciones, ya que estos componentes tienen destinos celulares diferentes (fig. 1). Los componentes de la dieta pueden alterar la expresin genmica de manera directa o indirecta. As, celularmente hablando, los nutrientes pueden: Actuar como ligandos para la activacin de factores de transcripcin que favorezcan la sntesis de receptores. Metabolizarse por rutas metablicas primarias o secundarias, y de ese modo alterar la concentracin de substratos o intermediarios. Influir de modo positivo o negativo en las rutas de sealizacin.

Fig. 1. Destino y papel de los nutrientes en las clulas El hecho de que algunos componentes de la dieta desempeen un papel clave en la regulacin de la expresin gentica est fuera de dudas. El genoma de cualquier organismo es sensible al entorno nutricional, de modo que algunos genes pueden modificarse en respuesta a los componentes de la dieta, ya sean de origen vegetal o animal. Genmica Nutricional Las diferencias fenotpicas de los distintos organismos en salud y enfermedad se deben principalmente a esta diversidad e individualidad gentica propia de todos los miembros de la especie, y de forma tambin importante a las diferentes experiencias ambientales de cada uno. La variabilidad gentica interindividual es un determinante crtico de los distintos requerimientos nutricionales. El uso de diferentes tcnicas moleculares ha permitido la identificacin de marcadores de diferente tipo (polimorfismos del largo de los fragmentos de restriccin, marcadores microsatlites, polimorfismos de un solo nucletido) que frecuentemente se utilizan para el desarrollo de la cartografa cromosmica, y que van a permitir seleccionar individuos susceptibles a dietas especficas. La informacin para los procesos fisiolgicos involucrados en la nutricin se encuentra en el genoma, y determina qu nutrientes y en qu cantidades son necesarios para las respuestas homeostticas, teniendo como determinante de su expresin final la interaccin con la dieta. La genmica nutricional establece como principal objetivo aportar el conocimiento que permita hacer un diagnstico y establecer un tratamiento nutricional basado en el genotipo individual, mediante 2 ramas principales: la nutrigentica y la nutrigenmica (fig. 2).

Fig. 2. Genmica nutricional e interaccin gen-nutriente Nutrigentica La nutrigentica es una ciencia aplicada marcada por los paradigmas de la farmacologa nutricional en relacin con los polimorfismos y la experiencia clnica. As como la farmacogentica busca mejorar el diseo de frmacos, segn la influencia de las variaciones genticas en el metabolismo de los xenobiticos y en las dianas de frmacos en el paciente, la nutrigentica ofrece la posibilidad de personalizar la nutricin de acuerdo con la constitucin gentica de los consumidores, teniendo en cuenta el conocimiento de las variantes genticas que afectan al metabolismo de los nutrientes y a las dianas de stos. En definitiva, la nutrigentica hace referencia al anlisis de variaciones genticas entre individuos y su respuesta clnica a nutrientes especficos. El tipo ms comn de estos polimorfismos es el polimorfismo de un solo nucletido, que adems ha demostrado ser una herramienta til para investigar el papel de la nutricin en la salud o enfermedad y su integracin en estudios epidemiolgicos, metablicos y clnicos, que puede contribuir a definir una dieta ptima en poblaciones, grupos o individuos. La evidencia de interacciones gen-nutriente se identific por primera vez en los errores innatos del metabolismo. Los requerimientos de los distintos nutrientes no son iguales para una persona que para otra; parte de esta variabilidad se debe a diferencias en el tamao corporal, la edad, el sexo, etc. No obstante, aun cuando se lograse homogeneizar estos factores, permanece una variabilidad residual que se ha atribuido a diferencias genticas. En resumen, la nutrigentica ofrece la promesa de personalizar la nutricin en funcin de la constitucin gentica del individuo, a partir del conocimiento de las variaciones en los genes y del metabolismo del nutriente.Nutrigenmica

La nutrigenmica es una rama de la genmica que pretende proporcionar un conocimiento molecular (gentico) en los componentes de la dieta que contribuyen a la salud mediante la

alteracin de la expresin y/o estructuras, segn la constitucin gentica individual. As, por ejemplo, la nutrigenmica estudia el papel de los cidos grasos poliinsaturados en la expresin gentica de su oxidacin y utilizacin de energa. Un concepto bsico es que la progresin desde un fenotipo sano a un fenotipo de disfuncin crnica puede explicarse por cambios en la expresin gentica o por diferencias en las actividades de protenas y enzimas, y que los componentes de la dieta directa o indirectamente regulan la expresin de la informacin gentica. En este sentido, hay varias vas por las que los componentes bioactivos de la dieta alteran la accin de los genes. Un mecanismo primario para la modulacin de la expresin de los genes es el factor de transcripcin. Actualmente, las investigaciones se estn centrando en la identificacin de ms componentes bioactivos de la dieta, pues a medida que se incremente la informacin disponible, sta podr utilizarse para desarrollar alimentos funcionales que prevengan o intervengan de forma especfica en las diferentes enfermedades. En la figura 3 se muestra un esquema de la evolucin de las ciencias nutricionales hasta desembocar en la nutrigenmica.

Fig. 3. Evolucin de las ciencias nutricionales. Extrado de ppt Aquainnovo Las interacciones del nutriente con el gen pueden variar dependiendo de la etapa vital del organismo, por lo que es indispensable considerar su naturaleza dinmica. Ms an, tenemos constancia de que el ambiente prenatal puede influir en la fisiologa posnatal. En este sentido, estudios experimentales en varias especies de mamferos demuestran que la manipulacin del ambiente peri-concepcional, embriolgico, fetal o neonatal puede alterar las funciones cardiovasculares y metablicas posteriores. El desarrollo de plasticidad provee a los organismos de la habilidad para cambiar su estructura y funcin en respuesta indirecta al ambiente, lo que permite un rango de fenotipos a desarrollar a partir de un solo genotipo. Esto ha llevado a la necesidad de promover la salud y la nutricin en reproductores como un elemento importante para la prevencin de enfermedades crnicas. La epigentica analiza la disponibilidad de nutrientes para el producto, que, aunque en perodos cortos, pero crticos, como en el desarrollo

intrauterino en el caso de mamferos, programa el metabolismo del individuo hacindolo susceptible de tener enfermedades comunes en el futuro. Esta informacin sustenta un nuevo concepto, el denominado rescate embrionario, que emerge como criterio para establecer los lmites superiores de consumo durante los perodos reproductivos. Algunos nutrientes, cuando se administran en ventanas temporales de susceptibilidad, pueden rescatar a embriones de defectos genticos. Para las ingestas recomendadas hay que considerar, como se acaba de mencionar, en qu etapa del ciclo de vida se encuentra el individuo, ya que las variaciones en los requerimientos no slo dependen de factores genticos, sino que tambin estn ligados a otros factores, como el sexo, las condiciones reproductivas, el crecimiento y la edad. Otras variaciones que desempean un papel importante son la composicin corporal y la capacidad aerbica. Genmica Funcional La ltima dcada ha sido testigo de una rpida expansin en el campo de la genmica funcional que comprende a la genmica, la protemica, la determinacin del genotipo, transcriptmica y metabolmica. La gran cantidad de datos generados en estos campos de las "micas" ha vigorizado el campo de la bioinformtica, que se encuentra a su vez desarrollando nuevos mtodos para adquirir, almacenar, compartir, analizar, presentar y gestionar la informacin obtenida de las "omic', que permita el procesamiento y la integracin de conjuntos de datos complejos para una bsqueda perfecta y coherente (Desiere et al, 2002). Estos enfoques proporcionan un medio poderoso por el cual insignificantes a veces, pero numerosos cambios en un genoma se pueden controlar sin la necesidad de un conocimiento previo de un mecanismo especfico. Esta subdisciplina de la genmica funcional, denominada genmica nutricional o nutrigenmica, pone los esfuerzos para resolver como las sustancias qumicas de la dieta influencian en el genoma y a la vez influyen en el metabolismo (Mutch et al, 2005). La nutrigenmica abarca slo cuatro de las ms de 50 micas (Tabla 2) Tabla 2: Definicin de algunas micas Transcriptmica Protemica Metabolmica Epigenmica Tecnologas de microarrays, que supervisa la alteracin de los niveles de ARNm en el genoma completo (Scheel et al, 2002);. Abarca la determinacin de la estructura de las protenas, su expresin e interaccin molecular (Kussmann et al, 2005); Examina los cambios en los metabolitos involucrados en el metabolismo intermediario y primario (German et al, 2004) Determina los patrones de metilacin, la impresin y el empaque de ADN (Beck et al., 1999).

Perfiles de expresin gnica En la actualidad se aprecia que muchos procesos metablicos dependen de una sincronizacin exquisita de acontecimientos entre los diversos rganos, con la participacin a veces de muchos miles de genes (Liu-Stratton et al, 2004). Esta complejidad se ve reforzada por la participacin de otras molculas que incluyen los receptores, hormonas y enzimas.

Dada la complejidad de lo anterior, y porque las dietas son una mezcla heterognea de productos qumicos, es obvio que la evaluacin de los efectos de un nutriente, por ejemplo, en la salud, requiere examinar ms de una biomolcula individual o biomarcador. La necesidad de acceder a un conjunto de marcadores a la hora de examinar el efecto de un nutriente sobre un tema en especfico se hace ms compleja porque la mayora de los genes tienen pequeas diferencias de secuencia o polimorfismos y las distinciones que stos pueden afectar las interacciones proteinprotein o protena-sustrato. Inconsistencias en algunos estudios epidemiolgicos en seres humanos puede explicarse en parte por los polimorfismos, como se ejemplifica en aquellos sobre el metabolismo del folato y el riesgo alterado para el cncer de colon y la respuesta a frmacos hipolipemiantes (Davis y Hord, 2005). Estas desviaciones de la norma reconocida en humanos han llevado al desarrollo del concepto de 'medicina personalizada', en el que los perfiles de expresin de microarrays de genes (GEP) se utiliza para proporcionar tratamientos elite, tratamientos basados en la clasificacin molecular de los subtipos de genes (Chin et al, 2004) Los GEP en investigacin nutricional pueden ser utilizados para tres propsitos distintos (Mller y Kersten, 2003): 1.- Para ayudar en la identificacin y caracterizacin de los mecanismos moleculares bsicos que pueden ser afectados, ya sea positiva o negativamente, por los nutrientes. 2.- Para proporcionar informacin sobre los mecanismos especficos que desencadenan estos efectos beneficiosos o negativos. 3.- Para identificar los genes especficos alterados por los alimentos que podran ser de utilidad como biomarcadores moleculares o sensores de nutrientes y en el descubrimiento de genes. Las tres reas de aplicacin ya han ofrecido recompensas, especialmente en las ciencias clnicas, farmacolgicas y todo sugiere que esta seguir su curso (Mller y Kersten, 2003) Las aplicaciones de la genmica funcional tambin se ejecutarn en el sector agroindustrial, especialmente en cuanto a produccin de carne y huevo, calidad de la leche e incluso en el desarrollo de modelos para el xenotrasplante (Womack, 2005). Al igual que en produccin de animales terrestres, la acuicultura tambin se centrar las investigaciones en reas relacionadas a proporcionar una ventaja econmica. Aquanomics o GEP en Acuicultura En las investigaciones genmicas funcionales en la acuicultura, o investigacin aquanomics, la seleccin de especies necesariamente depender de la disponibilidad de determinados sistemas homlogos de microarrays. Esto en s mismo se convierte en problemtico, ya que slo se cuenta con la secuencia del genoma completo de pez cebra, tetradon o globo, fugu y medaka (Crollius y Weissenbach, 2005). El desarrollo de los microarrays de salmn del Atlntico avanza a gran ritmo, por tanto es la nica especie importancia comercial en acuicultura en donde los microarrays comerciales estn disponibles. El uso de microarrays heterlogos requiere una validacin rigurosa, aunque se ha obtenido buenos resultados a partir de la hibridacin de chips de genes humanos con especies de mamferos lejanamente relacionados (bovinos, porcinos y caninos). Aparte de la seleccin de especies, se deben tomar decisiones con respecto a la eleccin de la cepa, el estado de ploida, edad, el sexo y el acondicionamiento del medio ambiente y la dieta (McLean y Craig, 2003). El enfoque de los GEP en la acuicultura ser la salud y el bienestar animal, y relacionadas con la nutricin y la reproduccin selectiva.

Biomarcadores Debido a que las tecnologas de microarrays ofrecen exquisitas herramientas de evaluacin emprica, claramente el dogma conformista de la hiptesis impulsada por la investigacin ya no es vlido. Los estudios pueden llevarse a cabo sin una hiptesis de partida y, tras la adquisicin de un GEP, se puede obtener una hiptesis basada en la investigacin. Luego de la hibridacin obtenida por microarrays, y despus de la correccin de fondo y la normalizacin, una multitud de genes pueden ser identificados como sobreexpresados. Algunos de estos pueden representar potenciales biomarcadores de un proceso especfico o el efecto del tratamiento - es decir, que proporcionan caractersticas firmes asociadas con un estado fisiolgico particular. De hecho, un problema importante que requiere una solucin es la actual falta de biomarcadores validados que sean especficos, sensibles, predecibles y cuantificables. Una vez que los potenciales biomarcadores son revelados por los anlisis de microarrays, su aplicabilidad y el valor debe ser validado por otros mtodos tales como quantitative real-time reverse-transcriptasepolymerase chain reaction (qRT-PCR) , Northern or Western blotting or via quantification of protein levels by enzyme-linked immunosorbent (ELISA) o pruebas similares. Cmo se Beneficia la Acuicultura de la Revolucin "micas"? Ya, varios estudios han empleado la tecnologa de microarrays para examinar diversos aspectos de la biologa de los peces. Muchos de ellos han utilizado el modelo de pez cebra (Crollius y Weissenback, 2005), debido a la disponibilidad comercial de un microarray para esta especie. Aunque no es de importancia en la acuicultura, el trabajo con el pez cebra, sin embargo proporciona informacin crucial, ya que despus de varias manipulaciones GEP han establecido los biomarcadores que pueden ser apropiadas para la investigacin con especies importantes en acuicultura (Tabla 3). Tabla 3: Genes Marcadores para reproduccin, procesos de enfermedad, estrs oxidativo en varias especies de peces.

Varios programas nacionales o internacionales en genmica de peces se dedican al desarrollo de las herramientas necesarias (Panserat, Ducasse-Cabanot, PlagnesJuan, Srivastava, Kolditz, Piumi, Esquerre y Kaushik 2008a; Panserat, Kolditz, Richard, PlagnesJuan, Piumi , Esquerre, Medale, Corraze Kaushik y 2008b). Estos primeros estudios en nutrigenmica se refieren a la transicin de ayuno-alimentacin (entre el hgado y el msculo), as como el reemplazo del aceite de pescado por ingredientes de origen vegetal (en el hgado). Tabla 4: Ejemplos de expresin de genes regulados nutricionalmente en peces (extrada de S Panserat & S J Kaushik, 2010)

Retos para la Nutrigenmica La labor de trabajar estudiando a los genes como parte de la biologa de sistemas est en camino. El metabolismo y la nutricin parecen ser un sistema complejo ideal en el cual aplicar el conocimiento y mtodos de la gentica y la genmica. Si los genetistas estn buscando un sistema complejo para atacar, la nutrigenmica es una excelente opcin, y de ah que est en pleno desarrollo. El primer reto para los cientficos que se adentran en esta joven disciplina es desarrollar la base de conocimiento fundamental necesaria para comenzar a estudiar este complejo sistema. Los nutrilogos estn aprendiendo gentica, los genetistas estn perfeccionndose en las complejidades del metabolismo y los cientficos en bioinformtica estn aprendiendo los lenguajes

tanto de gentica como de nutriologa. Esta es la naturaleza de cualquier disciplina hbrida en sus etapas tempranas. Una vez que una cohorte de expertos multidisciplinarios exista, la nutrigenmica estar lista para enfrentar su gran reto. La nutrigenmica est siendo aplicada en la agricultura, ganadera y acuacultura (fuentes mejoradas de alimento de origen animal y vegetal) y en la salud humana, destacando en esta ltima rea la aplicacin a diferencias individuales en el metabolismo (nutricin individualizada). Los mecanismos subyacentes responsables de la variacin individual en el metabolismo y, por lo tanto, en las respuestas hacia y los requerimientos de nutrientes, no son totalmente comprendidos. El involucramiento (altamente posible) de la variacin gentica y los mecanismos epigenticos hacen de estos, objetivos primarios de estudio. A fin de avanzar y desarrollar una teora englobadora para predecir los efectos de la variacin gentica (y epigentica) en el metabolismo y los requerimientos de nutrientes, se requiere un juego de datos ms completo, que describa las interacciones nutriente-gen. Sin esta informacin, cualquier aplicacin estar destinada a fallar. As como el catlogo de relaciones SNP-respuesta a la dieta es incompleto, tambin lo est la coleccin de informacin referente a cmo la dieta puede alterar las marcas epigenticas en el ADN y las histonas; los estudios publicados se enfocan principalmente en los donadores dietarios de metilo y en la grasa dietaria. La expresin del micro cido ribonucleico (microRNA o miRNA, puede ser influenciada por la manipulacin dietaria, pero hay pocos datos disponibles que describan la modulacin de los genes del metabolismo a nivel de miRNA. Finalmente, la variacin gentica influencia el comportamiento alimentario, pero estos efectos no han sido explorados sistemticamente. La interpretacin de las mediciones de decenas de miles de genes, con millones de variaciones genticas, algunas de las cuales tienen efectos en cientos o miles de pequeas molculas del metabolismo (y tal vez en miles de pptidos o protenas involucradas en el metabolismo) requiere nuevos acercamientos bioinformticos y estadsticos. La caja de herramientas bioinformticas para genmica es bastante ms avanzada que la caja de herramientas de perfilado metabolmico en este sentido, y existen algunos acercamientos bioinformticos integrados disponibles en donde los cambios en los genes estn sobrepuestos en cambios en las rutas metablicas. En este momento es difcil visualizar los datos combinados, en una manera integrada, de cmo mltiples genes y mltiples nutrientes interactan simultneamente. El proyecto de la Organizacin Europea de Nutrigenmica (NUGO) est comenzando a realizar dichos anlisis complejsimos, pero falta todava mucho camino antes de que podamos dar respuesta a este reto. En concreto, el enorme reto ser entonces desarrollar un marco de trabajo englobador e integrado para estudiar cmo las interacciones gen-nutriente influyen en el metabolismo. Para enfrentar este reto, la nutrigenmica tiene que construir una cohorte de cientficos de mltiples disciplinas que pueden hablar los lenguajes de las diferentes disciplinas, desarrollar mejores mtodos y establecer un juego de datos completo a partir del cual los grandes pensadores entre nosotros puedan desarrollar las teoras. Se estima que este trabajo nos mantendr ocupados al menos por la prxima dcada. Sin duda, el futuro ser emocionante para todos.

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