domingo, 19 de febrero de 2012

Nutrigenómica Nuria Mach

Nutrigenómica y
nutrigenética: la
cara emergente de
la nutrición
Núria Mach Casellas
PID_00156943
© FUOC • PID_00156943 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
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Índice
Introducción............................................................................................... 5
1. El genoma humano en el siglo XXI................................................ 9
1.1. Introducción ................................................................................ 9
1.2. Estructura y organización del genoma humano ......................... 9
1.3. El mapa génico ............................................................................ 11
1.4. Variabilidad en el genoma humano ........................................... 12
1.5. Implicaciones clínicas de la variabilidad en el genoma
humano ....................................................................................... 15
1.6. El dogma central: ADN-ARN-proteínas ....................................... 17
2. Regulación de los genes y modificación en la actividad
del genoma humano......................................................................... 22
2.1. Introducción ................................................................................ 22
2.2. Modificaciones en la transcripción del mARN a partir del
ADN genómico ............................................................................ 22
2.3. Modificaciones en la traducción del mARN ............................... 23
2.4. Modificaciones físicas del ADN .................................................. 24
2.5. Regulación epigenética del ADN ................................................ 24
3. Metodologías para la investigación del comportamiento
del genoma humano......................................................................... 28
3.1. Introducción ................................................................................ 28
3.2. Metodologías para el estudio de la genómica ............................. 28
3.3. Metodologías para el estudio de la transcriptómica ................... 32
3.3.1. Introducción .................................................................. 32
3.3.2. Un caso particular. Uso de los microarray de ADN
para el estudio del cáncer cérvico uterino ..................... 34
3.4. Metodologías para el estudio de la proteómica .......................... 36
3.5. Metodologías para el estudio de la metabolómica ..................... 40
4. Una relación complicada: enfermedades y nutrición.............. 42
4.1. Introducción ................................................................................ 42
4.2. Nutrigenómica ............................................................................. 43
4.2.1. Introducción .................................................................. 43
4.2.2. Objetivos ........................................................................ 44
4.2.3. Descripción .................................................................... 44
4.2.4. ¿Qué componentes de la dieta tienen importantes
efectos beneficiosos para la salud? ................................ 46
4.2.5. ¿Qué componentes de la dieta tienen efectos
adversos para la salud? .................................................. 48
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4.2.6. ¿Cómo, dónde y cuándo ejercen estos efectos los
nutrientes? ¿Cuáles son los mecanismos celulares
que activan los componentes de la dieta para
modificar la actividad del genoma humano? ................ 49
4.3. Nutrigenética ............................................................................... 55
4.3.1. Introducción .................................................................. 55
4.3.2. Objetivos ........................................................................ 58
4.3.3. Descripción .................................................................... 58
5. Investigación biomédica: nutrigenómica y nutrigenética...... 61
5.1. Introducción ................................................................................ 61
5.2. Nutrigenómica y biomédica ....................................................... 63
5.2.1. Introducción .................................................................. 63
5.2.2. Nutrigenómica y obesidad ............................................. 64
5.2.3. Nutrigenómica e insuficiencia cardíaca ......................... 66
5.2.4. Nutrigenómica y cáncer ................................................ 67
5.3. Nutrigenética y biomédica .......................................................... 72
5.3.1. Introducción .................................................................. 72
5.3.2. Nutrigenética y enfermedad cardiovascular .................. 73
5.3.3. Nutrigenética y el síndrome metabólico ....................... 79
5.3.4. Nutrigenética y cáncer ................................................... 81
6. Genómica funcional: ética y sociedad.......................................... 85
7. Genómica funcional y perspectivas futuras en la industria... 87
Bibliografía................................................................................................. 91
© FUOC • PID_00156943 5 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Introducción
Durante los últimos 10 años, la investigación en el campo de la nutrición ha
redirigido sus intereses desde la epidemiología y fisiología a la genómica molecular
(Muller y Kersten, 2003). La secuencia del genoma humano (Venter
y otros, 2001), juntamente con los recientes avances en biología molecular
y en bioinformática, han permitido el desarrollo de las tecnologías terminadas
con el sufijo griego "-ome", es decir 'completo' (Mutch y otros, 2005). De
las 50 tecnologías ome existentes, deben destacarse como principales la genómica
(estudia los genes), la transcriptómica (estudia la colección completa de
transcritos de ARN), la proteómica (estudia las proteínas en un tejido definido,
su abundancia relativa, distribución, modificaciones post-transduccionales,
funciones e interacciones con otras moléculas biológicas), y la metabolómica
(estudia cuantitativamente todos los metabolitos endógenos y exógenos
aislados en un sistema) (tabla 1). El estudio de estas disciplinas constituye la
denominada genómica funcional y su interacción, biología de sistemas (figura
1) (Jaishankar y Vrana, 2009).
Figura 1. Representación de la genómica funcional mediante la integración de datos de
diferentes disciplinas ome en formato network (Ingenuity Systems® Ingenuity Systems)
La genómica.funcional se basa en el dogma central de la genética molecular,
es decir, las secuencias de ADN se usan como templados para la síntesis de ARN
y ese ARN se usa subsecuentemente como templado para la síntesis de proteínas
y metabolitos (Pardo, 2004). La integración de los datos de las tecnologías
como la genómica, transcriptómica, proteómica y metabolómica a partir de la
bioinformática es crucial para el emergente campo de la biología de sistemas
(figura 2), (Tyers y Mann, 2003; Van Ommen, 2004).
La mayoría de científicos describen que los retos de la biología de sistemas son
estudiar, integrar y comparar información procedente de las principales disciplinas
que forman la genómica funcional (genómica, transcriptómica, proteómica
y metabolómica) para comprender las relaciones e interacciones entre las
diferentes partes del sistema mediante métodos estadísticos, bioinformáticos
y herramientas computacionales que permiten no solamente modelar y simular
procesos biológicos específicos, sino también validarlos. No obstante, otra
escuela científica defiende que el objetivo principal de la biología de sistemas
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es la construcción de modelos matemáticos cinéticos o mecánicos capaces de
simular in silico las respuestas de un sistema complejo. Otros, no obstante,
enfatizan que la biología de sistemas se caracteriza por la repetición iterativa
de la formulación de hipótesis, realización de experimentos ome en el laboratorio
y renovación de formulación de hipótesis. La aplicación de la biología
de sistemas en la biomedicina tendrá efectos positivos en términos de rendimiento
físicos, ya que podrá ayudar no solamente a la reconstrucción y modelización
de las distintas redes de interacción molecular que ocurren dentro
de los organismos con el fin de buscar propiedades emergentes de cierto interés
biomédico o biotecnólogico, sino también entender cómo procesos patológicos
o nutrientes concretos conllevan modificaciones en las interacciones
internas y externas moleculares.
Tabla 1. Descripción de las tecnologías ome que estudia la genómica funcional
Nivel.de
análisis
Definición Método.de.análisis
Genómica Estudia el conjunto completo de genes
de un organismo
Secuenciación sistemática del ADN
Transcriptómica
Estudia el conjunto completo de moléculas
de ARN mensajero presentes en
una célula, tejido u órgano
microarrays de cADN
Proteómica Estudia el total de moléculas proteicas
presentes en una célula, tejido u órgano
Electroforesis bidimensional. MALDITOF
o SELDI-TOF, espectrometría de
masas
Metabolómica
Estudia el conjunto completo de metabolitos
(intermediarios de bajo peso
molecular) en una célula, tejido u órgano
Espectroscopía con luz infrarroja, espectrometría
de masas o con resonancia
nuclear magnética
Epigenómica
Estudia la herencia de la información
basada en los niveles de expresión génica
más que en la secuencia de genes.
Estudia modificaciones del genoma
que se copian de una generación a
la siguiente pero que no implican cambios
en la secuencia primaria de bases
del ADN
Considerando las múltiples posibilidades de la genómica funcional, y el descubrimiento
del papel de los micronutrientes y macronutrientes como potentes
componentes para ayudar a la prevención, diagnóstico y tratamiento de
diferentes enfermedades (Muller y Kersten, 2003; Willett, 2002), nace la nutrigenómica
y la nutrigenética (Mariman, 2006; Mitroi y Mota, 2008; Ordovas
y Mooser, 2004; Svacina, 2007).
La nutrigenómica es la disciplina que estudia los efectos de los diferentes nutrientes
en la expresión de los genes, proteínas y metabolitos, así como sus
interacciones y su relación con la etiología o prevención de enfermedades como
el cáncer, la obesidad, la diabetes mellitus tipo 2, la hipercolesterolemia
familiar, la galactosemia, fenilcetonuria, la celiaquía y las cardiopatías. (Mitroi
y Mota, 2008; Svacina, 2007). La capacidad de modificar la susceptibilidad y
© FUOC • PID_00156943 7 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
expresión genética de ciertas vías metabólicas no deseables o estimular las que
puedan contribuir en la salud a través de la alimentación es el gran reto de
la nutrigenómica, más allá del diseño de dietas o alimentos funcionales personalizados
(Mutch y otros, 2005).
La nutrigenética es la disciplina que estudia los efectos de las variaciones genéticas
individuales (polimorfismos específicos) en la respuesta del organismo
a los nutrientes (Mitroi y Mota, 2008; Svacina, 2007). Actualmente, se conocen
polimorfismos genéticos asociados a enfermedades comunes como cáncer
de mama, colon y próstata, diabetes mellitus tipo 1 y 2, obesidad, infarto
de miocardio, artritis reumatoide, esclerosis múltiple, asma, fibrosis quística
y enfermedad de Huntington (Anton y otros, 2007; Kennedy y otros, 2008;
Sheppard, 2002). Las orientaciones nutricionales actuales como por por ejemplo,
las recomendaciones dietéticas de la Organización Mundial de la Salud no
tienen en cuenta las diferentes respuestas que cada individuo tiene a la ingesta
de un mismo nutriente. Esto sugiere que, a pesar de que pueden establecerse
un conjunto de pautas alimentarías para toda la población, puede que éstas
no se adecuen a las necesidades de todos los individuos de la misma manera.
Parece, por tanto, que el futuro en la nutrición pasa por desplazarse desde las
tradicionales recomendaciones dietéticas universales, aproximándose hacia la
denominada nutrición personalizada en función del perfil genético de cada
persona. Así, la posibilidad de determinar el perfil genético de un individuo y
de conseguir la integración de estos datos en una compleja red de interacciones
metabólicas constituye un desafío sin precedentes en la nutrición humana
(tabla 2).
Tabla 2. Campos de interés para la nutrigenómica y la nutrigenética (Palou, 2006)
Campos.de.interés
Genómica Funcional Ofrecer una mejor comprensión del impacto de los componentes
de nuestra dieta en el entramado metabólico, en términos de
su composición de miles de mRNA, proteínas y metabolitos, y las
combinaciones de todos ellos.
Nutrición personalizada Entender cómo cada persona responde a los alimentos en función
de sus peculiaridades individuales; considera los polimorfismos,
las diferentes variantes génicas, en los cuales la presencia
de un alelo u otro supone sólo cierta diferencia, aunque sea pequeña,
con respecto a determinada función, y considera también
las combinaciones de múltiples variantes que, contempladas aisladamente,
no tienen efecto funcional pero que en combinación
determinan nuevas propiedades y efectos metabólicos. Asimismo,
considera la historia metabólica de cada persona, el resultado
de su exposición a distintos nutrientes y otros factores a lo
largo de las diferentes etapas de la vida (epigenética).
Fuente: Palou (2006)
© FUOC • PID_00156943 8 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 2. Esquema general resumido de la genómica funcional
Efectos de los componentes alimentarios y agentes tóxicos sobre el genoma (nutrigenómica), el epigenoma (epigenética
nutricional) e influencia de las variantes genómicas (SNP; nutrigenética) sobre la susceptibilidad a diferentes enfermedades
crónicas y su relación con las ingestas recomendadas (IR) de nutrientes.
Fuente: Martínez de Victoria (2007)
El desarrollo de la genómica funcional en los próximos años condicionará
cambios en el conocimiento teórico y la práctica clínica de la nutrición.
La capacidad no sólo de adaptar el consumo de nutrientes a las
necesidades exigidas por el particular bagaje genético de un individuo
(nutrigenética) para evitar enfermedades y mejorar su calidad de vida,
sino de modular la expresión génica y proteica o de metabolitos mediante
modificaciones nutricionales (nutrigenómica), y más aún, con
la posibilidad de transmitir estos patrones de expresión génica a la descendencia
(regulación epigenética) constituye el gran reto de la nutrigenética
y la nutrigenómica.
© FUOC • PID_00156943 9 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
1. El genoma humano en el siglo XXI
1.1. Introducción
Conocer la naturaleza del material hereditario, cómo se organiza, almacena, y
estructura en el genoma humano, y entender la serie de complejas interrelaciones
entre la estructura de los genes, el mRNA, su traducción, el procesamiento
de proteínas y sus modificaciones post-transcripcionales, y los metabolitos es
imprescindible para el estudio de la nutrigenómica y la nutrigenética.
1.2. Estructura y organización del genoma humano
El genoma humano es la secuencia de ADN contenida en los 23 pares de cromosomas
del núcleo de cada una de los 100 billones de células que constituyen
el organismo humano. Según las estimaciones de los resultados del Consorcio
Internacional para la Secuenciación del Genoma Humano, el genoma humano
posee alrededor de 25.000 genes organizados en aproximadamente 3.000
millones de pares de nucleótidos (Venter y otros, 2001), cuando debemos recordar
que en cuanto al tamaño del genoma se había previsto que la cifra se
situaría entre 50.000 y 100.000 (Levy y otros, 2007; Venter, 2003; Venter y
otros, 2001). Esos 3.000 millones de pares de nucleótidos contienen codificada
la información necesaria para la síntesis del conjunto de las proteínas que
fundamentan la embriogénesis, el desarrollo, el crecimiento y el metabolismo
y reproducción del ser humano, así como la necrosis y la apoptosis celular
(Newberg y Lawrence, 2004), mediante funciones estructurales, enzimáticas,
metabólicas, reguladoras y de señalización (Tyers y Mann, 2003).
Todas las células de un organismo tienen los mismos 3.000 millones de pares
de nucleótidos, pero cuando se expresan, cuando se ejecutan, cada célula
"anuncia" las proteínas que necesita; por ejemplo, en el páncreas se expresa
la insulina. De los 3.000 millones de pares de DNA existentes en el genoma,
realmente menos del 1,5% codifican proteínas, y tan sólo alrededor del 5%
parece contener elementos reguladores que influyen o determinan los patrones
de expresión genética durante el desarrollo de los diferentes tejidos (Venter
y otros, 2001). El resto del genoma incluye muchos otros elementos que
funcionan determinando la dinámica de los cromosomas, como es el caso de
los centrómeros (estructuras que dividen los cromosomas) y los telómeros.
Aproximadamente la mitad del genoma humano está formado por secuencias
altamente repetitivas cuya función poco se sabe (Levy y otros, 2007; Venter y
otros, 2001). Muchas de estas secuencias repetitivas parecen haberse originado
como resultado del movimiento de elementos genéticos (Bernardi, 1995). El
© FUOC • PID_00156943 10 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
conocimiento de estas repeticiones en el genoma humano puede ser el primer
paso para caracterizar las diferencias entre individuos y su posible implicación
en el desarrollo de enfermedades (García-Vallejo, 2004).
La cadena de ADN consiste en dos cadenas de desoxirribosa unidas por grupos
fosfato y por bases de cuatro tipos (citosina (C), timina (T), adenina (A) y
guanina (G), (figura 3), (Watson y Crick, 1953)). Al combinarse adenina con
timina en ciertas posiciones, la forma y las distancias son las mismas que al
combinar guanina con citosina, lo que hace posible que ambas combinaciones
existan sin tensiones en el interior de la doble hélice (Todd, 1954). El 14 de
abril del 2003, el Consorcio Internacional para la Secuenciación del Genoma
Humano anunció con una fiabilidad del 99,9%, el orden apropiado en que se
encuentran las bases citosina, timina, adenina y guanina en las regiones que
contienen genes en el ADN. En el interior de cada célula, el ADN se dispone
formando la cromatina conjuntamente con varias clases de proteínas cromosómicas,
denominadas histonas y otro grupo más heterogéneo de proteínas
aún sin caracterizar, aunque parecen desempeñar un papel clave en el establecimiento
de un entorno apropiado que permita el comportamiento normal
de los cromosomas y su expresión génica. Excepto durante la división celular,
la cromatina se distribuye en todo el núcleo y tiene un aspecto relativamente
homogéneo. Sin embargo, cuando la célula se divide, su genoma se condensa
y aparece formando los cromosomas que son microscópicamente visibles.
Aunque nuestros conocimientos de la naturaleza y la identidad de los genes
han aumentado de manera exponencial durante los últimos decenios, en un
proceso que culminó en el 2003 con la determinación de la secuencia del ADN
de la práctica totalidad del genoma humano (Venter, 2003), aún queda por
secuenciar el 95%, las regiones más difíciles, ya que incluyen ADN muy repetitivo
además de los centrómeros y telómeros.
Figura 3. Estructura del ADN
Fuente: Department of Energy (2001). "Human Genome Project". Genomics y Its Impact on Medicine y Society: A 2001 Primer.
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1.3. El mapa génico
El mapa génico es el mapa de la localización cromosómica de los genes (figura
4, tabla 4). Cada gen posee dos copias, una en el cromosoma heredado de la
madre y otra en el cromosoma heredado del padre. Con respecto a la mayor
parte de los genes autosómicos, ambas copias presentan expresión y generan
un producto. No obstante, hay un pequeño número de genes en el genoma
que constituyen una excepción a esta regla general y que únicamente se expresan
a partir de una de las dos copias. Además, ciertos tipos de secuencias
son típicos de las características estructurales diferenciales de los cromosomas
entre humanos (Cravchik y otros, 2001). El estudio de los cromosomas, su estructura,
su composición molecular, la localización de los genes que contienen
y sus numerosos y variados polimorfismos, así como su herencia, se denomina
citogenética. La citogenética humana moderna nació el 1956, cuando se
demostró por primera vez que el número normal de cromosomas humanos
era 46 (Harper, 2006). Dichos mapas son herramienta esenciales para identificar
genes responsables de enfermedades o rasgos. Así por ejemplo, se puede
diagnosticar múltiples malformaciones congénitas a un niño que muestra un
análisis cromosómico convencional normal, mediante un estudio genómico
de alta resolución para la detección de delaciones o duplicaciones cromosómicas
submiscroscópicas.
Figura 4. Representación del cromosoma número 9 y la posición de sus genes identificados
Fuente: Department of Energy (2001). "Human Genome Project". Genomics y Its Impact on Medicine y Society: A 2001 Primer.
© FUOC • PID_00156943 12 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
1.4. Variabilidad en el genoma humano
La variabilidad en el genoma humano entre individuos es de alrededor del
0,1% (Spalvieri y Rotenberg, 2004). Todos los humanos son idénticos en un
99,9% en lo que se refiere a la secuencia genética; sin embargo, variaciones
del 0,1% en la secuencia ocasionan las diferencias en los fenotipos1 y una
susceptibilidad individual para la enfermedad o para la salud.
(1)Pelo y color de piel, altura, peso,
etc.
Los polimorfismos genéticos son lugares del ADN donde difieren las secuencias
genéticas entre individuos (al menos en un 1% de la población), es decir,
donde existe la coexistencia de múltiples alelos en un mismo locus con
una frecuencia mayor o igual al 1% entre la población (Spalvieri y Rotenberg,
2004). Si no superan el 1% de incidencia, son consideradas mutaciones y no
polimorfismos (Spalvieri y Rotenberg, 2004). El 90% de la diversidad fenotípica
humana proviene de las variaciones heredadas en una sola base de de
adenina, citosina, timina o guanina o SNP2 (Taillon-Miller y otros, 1999). Es
decir, el 90% del 0,1% del genoma que nos hace diferentes entre nosotros, los
humanos, se debe a una variación heredada en un solo núcleotido.
Se presume que existen más de 10 millones de SNP en el genoma humano y
en el año 2001 fue publicado un mapa que identifica y localiza 1,42 millones
de ellos, de los cuales los más comunes aparecen en de un 5 a un 50% de la
población. De facto, la mayoría de los humanos somos heterocigotos para más
de 50.000 SNP en nuestros genes, muchos de los cuales pueden implicar una
alteración en la expresión génica o cambios en la estructura y función proteica.
El análisis de todos los SNP de un individuo es actualmente impracticable. Sin
embargo, el hecho de que los SNP cercanos en la secuencia de ADN de un
gen tiendan a heredarse juntos (haplotipo) y que la mayoría de las regiones
cromosómicas solo presentan unos cuantos haplotipos comunes, permite de
forma práctica el análisis de éstos y su relación con enfermedades comunes.
Para que los polimorfismos sean importantes para el diagnóstico de enfermedades
clínicas, deben presentarse con elevada frecuencia en la población general,
deben modificar o regular proteínas que ocupen posiciones relevantes
en rutas metabólicas y poseer marcadores cercanos con efecto clínico (figura
5). Se han identificado aún pocos SNP que cumplan estos criterios (Heidema y
otros, 2006; Hsu y otros, 2002; Maruyama y otros, 2005; Mehrian-Shai y Reichardt,
2004; Moller y otros, 2004; Muller-Myhsok, 2005; Prokunina y Alarcon-
Riquelme, 2004; Weiss y Terwilliger, 2000).
(2)Single nucleotide polymorphisms
© FUOC • PID_00156943 13 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 5. La secuenciación de decenas de miles de individuos
abre la puerta para identificar polimorfismos y su relación con la
enfermedad
Fuente: Weiss y Terwilliger (2000)
Aunque menos frecuentes (> 10%), existen otras clases de variaciones del genoma
humano entre individuos, aparte de los SNP. Las variantes de inserción
y delación ocurren cuando uno o más pares de bases están presentes en unos
genomas y ausentes en otros. Pueden llegar a tener 80 kb de longitud. Las sustituciones
de bloque describen los casos en los que un grupo de nucleótidos
adyacentes varía entre genomas. La variante de inversión se da cuando el orden
de las bases es inverso en una sección definida del cromosoma (figura 6).
Finalmente, la variante copia se identifica cuando secuencias prácticamente
iguales se repiten en un cromosoma pero no en los otros (Frazer y otros, 2009).
Figura 6. Clases de variantes genéticas en los humanos. Los SNP, las variantes de inserción y
delación; las de sustituciones de bloque, las de inversión y la variante copia
Fuente: Frazer y otros (2009)
El resultado de estos movimientos y alteraciones puede explicar parte de las secuencias
repetidas que encontramos en el genoma (más de la mitad del genoma)
y pueden ayudar a caracterizar diferencias entre individuos. Entre las secuencias
repetidas del genoma podemos diferenciar los minisatélites o VNTR3,
que son loci que corresponden a secuencias de ADN de unas pocas decenas
de nucleótidos repetidas en tándem (García-Vallejo, 2004). El número de dichas
repeticiones varía de cromosoma a cromosoma, de tal manera que en un
(3)Variable nucleotide tandem repeats
© FUOC • PID_00156943 14 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
cromosoma el número de repeticiones en tándem puede ser de 10, en otro
de 15, en otro de 22, etc. (García-Vallejo, 2004). La singularidad más especial
de este tipo de polimorfismos está en que cada loci puede presentar muchos
alelos distintos (tantos como repeticiones), sin embargo, presentan el inconveniente
de no estar distribuidos por todo el genoma y por tanto sólo pueden
ser utilizados en el diagnóstico de un número muy reducido de enfermedades.
Los VNTR han encontrado su máxima aplicación en la determinación
de la paternidad y en los protocolos de identificación genética en el ámbito
judicial (García-Vallejo, 2004). Además, encontramos otro tipo de repeticiones,
las repeticiones trinucleotídicas, STR o microsatélites, y los polimorfismos
de un solo nucleótido o SNP. Los STR son secuencias de ADN repetitivas simples
constituidas por unidades de repetición de 2 a 7 pares de bases (pb) y de
aproximadamente 100-400 pb de longitud total, distribuidas por el genoma
de las células eucariotas (García-Vallejo, 2004). Su abundancia y su naturaleza
polimórfica los convierte en marcadores útiles para diversos tipos de análisis
(García-Vallejo, 2004).
Tabla 3. Características de las secuencias genómicas repetidas utilizadas como base para la individualización
genómica humana
Denominación Tipo.de.secuencia Copias/genoma
Retroposones LINE, SINE 10 a 104
Transposones THE 10 a 102
ADN.telomérico (TTACCC)n 104
ADN.minisatélite VNTR 102 a 104
ADN.microsatélite.(STR) (CA)n, (TG)n 105
Polimorfismos.de.un.solo.núcleotido SNPs > 3 x 106
Fuente: García-Vallejo (2004)
Tabla 4. Términos sobre genética
Término Descripción
ADN Ácido desoxirribonucleico. Molécula dentro del núcleo de las células portador
de toda la información genética para el funcionamiento de los organismos
vivos.
ARN Ácido ribonucleico. Molécula que dirige las etapas intermedias de la síntesis
proteica y transfiere la información del DNA a las proteínas.
Transcripción Proceso molecular durante el cual las secuencias de ADN son copiadas a
ARN mediante la enzima ARN polimerasa. La transcripción produce ARN
mensajero.
SNP Single nucleotide polymorphism. Variación de la secuencia de ADN que afecta
solamente un nucleótido, es decir, la adenina (A), timina (T), citosina (C)
o guanina (G). La frecuencia de estas variaciones deben ser > 1% de la población.
Genotipo Identidad genética de un individuo basada en el genoma. El genoma humano
está formado por unos 3.000 millones de pares de bases que constituyen
los 46 cromosomas.
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Término Descripción
Fenotipo Conjunto de rasgos o características observables de un organismo.
Gen Unidad física y funcional de la herencia. Compuestos de ADN.
Alelo Localización espacial de un gen en un cromosoma. Los seres humanos poseemos
dos alelos de cada gen.
1.5. Implicaciones clínicas de la variabilidad en el genoma
humano
A nivel clínico, las modificaciones en la variabilidad del genoma humano
acostumbran a agruparse en cromosómicas, monogenéticas, multifactoriales
y epistáticas (Nussbaum y otros, 2007).
En los trastornos cromosómicos el defecto no se debe a un error simple en la
secuencia genética, sino a un exceso o un defecto de los genes contenidos en
cromosomas enteros o fragmentos cromosómicos. Por ejemplo, la presencia
de una copia extra de un cromosoma, el 21, produce el síndrome de Down,
aunque ninguno de los genes del cromosoma sea anómalo (figura 7). Como
grupo, los trastornos cromosómicos son bastante comunes: afectan a 7 de cada
1.000 nacidos vivos y producen alrededor de la mitad de los abortos espontáneos
del primer trimestre (Nussbaum y otros, 2007).
Figura 7. Cromosoma extra en el síndrome de Down o trisonomía del 21
Los defectos monogénicos están causados por alteraciones (polimorfismos) de
genes individuales (Nussbaum y otros, 2007). La alteración o polimorfismo
puede estar presente sólo en un cromosoma del par génico o en ambos cromosomas
del par génico. En unos pocos casos la variación se encuentra en el
genoma mitocondrial en lugar de en el genoma nuclear. En cualquier caso, la
causa es un error crítico en la información genética contenida en un solo gen.
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La tolerancia a la lactosa
Un ejemplo sorprendente y simple de cómo puede afectar la alteración de un simple nucleótido
en un gen del genoma humano es la tolerancia a la lactosa de la dieta, básicamente
leche (figura 8). Los mamíferos adultos pueden ser intolerantes a la lactosa. Una
alteración ocurrida en un solo nucleótido (SNP C13910T) localizado 13,9 kb por encima
del gen de la lactasa (C-13919 > T) hace aproximadamente 7.000 años en la población del
norte de Europa se permitió la expresión del gen de la lactasa (LCH locus) hasta la edad
adulta (Ingram y otros, 2009). En este gen se presentan 11 polimorfismos agrupados en
4 haplotipos prevalentes (A, B, C, U) (Marti y otros, 2005). El haplotipo A que confiere
tolerancia a la lactosa tiene una frecuencia del 86% en la población europea del norte,
pero sólo del 36% en la población del sur de Europa. Se cree que este polimorfismo altera
las interacciones de la proteína reguladora de ADN controlando la expresión del gen
(Marti y otros, 2005). La persistencia de esta variante en las poblaciones puede conferir
una serie de ventajas entre las que se incluyen una mejor nutrición, prevención de la
deshidratación y una mejor absorción del calcio (Ingram y otros, 2009).
La variabilidad monogenética también puede condicionar, de manera más o
menos directa, la susceptibilidad a determinadas enfermedades de tipo infeccioso,
entre ellas enfermedades infecciosas transmitidas por los alimentos.
Figura 8. Representación de la alteración ocurrida en un solo nucleótido y los consecuentes
halotipos en la población
Otras enfermedades
monogénicas
Otros ejemplos de enfermedades
monogénicas son la enfermedad
celíaca, la hipercolesterolemia
familiar, la fenilcetonuria,
la galactosemia o la fibrosis
quística.
© FUOC • PID_00156943 17 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
En las modificaciones multigenéticas no parece existir un error único en la
información genética, sino que la modificación es el resultado de dos o más
genes diferentes que pueden causar un defecto grave o predisponer al mismo,
a menudo en una acción conjunta con diversos factores ambientales (Nussbaum
y otros, 2007). Las estimaciones acerca del impacto de las enfermedades
multifactoriales oscilan entre el 5% en la población pediátrica y más del 60%
en la población general (Nussbaum y otros, 2007). Así, la mayoría de las enfermedades
son producto de modificaciones multigenéticas, ya que son pocos los
casos en los que la alteración de un solo nucleótido conduce a la enfermedad.
Enfermedades multifactoriales
Entre las enfermedades multifactoriales encontramos la enfermedad de Hirschsprung,
el labio y el paladar hendidos, las cardiopatías congénitas y numerosas enfermedades
frecuentes en la vida adulta, como la enfermedad del Alzheimer, la diabetes mellitus, el
cáncer y la hipertensión (Nussbaum y otros, 2007).
En algunos casos, la combinación precisa en un individuo de alelos específicos
de 2 genes (rara vez más de 2) provoca la aparición de un determinado
fenotipo. Esta interacción gen-gen se denomina epistasia o epistasis y por el
momento en el ser humano se están empezando a describir ciertas interacciones
epistáticas relacionadas con la obesidad (genotipos específicos de TBC1D1,
una proteína que contiene un dominio que puede funcionar como activador
de GTPasa).
Secuenciar el genoma humano permite la detección de polimorfismos,
es decir, la decodificación de los millones de cambios posibles en la secuencia
de ADN de un individuo. Si bien esta ardua tarea de secuenciación
de decenas de miles de individuos requiere del uso de métodos eficaces
para su detección (Tillib y Mirzabekov, 2001), también es verdad
que abre la puerta para identificar desórdenes genómicos complejos y
para mejorar el estado de salud de las personas. Estamos al principio
de una revolución que integrará el conocimiento de la genética y del
genoma en la salud pública y la práctica de la medicina (Nussbaum y
otros, 2007). No obstante, tanto si la anomalía proviene de un solo gen
(monogénicas) o de varios (poligénicas), el fenotipo resultante constituye
el reflejo tanto de las interacciones con otras secuencias génicas
como de diveros factores ambientales (Kayser y otros, 2003).
1.6. El dogma central: ADN-ARN-proteínas
Los 3.000 millones de pares de bases, equivalentes a 25.000 genes, son capaces
de expandir la información contenida en el genoma humano a partir de
las proteínas, metabolitos y sus numerosas funciones en las células. Así, en
general, el producto de la mayor parte de los genes es una proteína (s), cuya
estructura determina en última instancia las funciones concretas que desempeña
dicha proteína en la célula. Sin embargo, si existiera una correspondencia
unívoca simple entre genes y proteínas, tendríamos como mucho 25.000
© FUOC • PID_00156943 18 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
proteínas diferentes. Este número parece insuficiente para explicar la inmensa
gama de funciones que tienen lugar en las células humanas. La respuesta a
este dilema se encuentra en dos características de la estructura y la función de
los genes (Pardo, 2004):
1) En primer lugar, muchos genes pueden producir múltiples proteínas distintas,
no solamente una. Este proceso se consigue mediante el uso de segmentos
de codificación alternativos en los genes y a través de la modificación bioquímica
subsiguiente de la proteína codificada; ambas características de los
genomas complejos facilitan una amplificación sustancial de la información
contenida en el genoma (Pardo, 2004). Así, se ha estimado que a través de
este mecanismo, los 25.000 genes humanos pueden codificar hasta 1 millón
de proteínas diferentes.
2) En segundo lugar, las proteínas individuales no actúan por sí mismas, sino
que establecen complicadas redes funcionales en las que participan muchas
proteínas distintas que responden de una manera coordinada frente a numerosas
señales genéticas, del desarrollo y del ambiente (Jothi y otros, 2009).
La transcripción de los genes se inicia en el extremo 5' del producto final de
ARN y continúa a lo largo del cromosoma hasta algún lugar situado desde varios
cientos a más de 1 millón de pares de bases, a través de intrones (regiones
intergénicas) y exones (regiones codificantes), y más allá del final de las
secuencias codificantes, mediante la RNA polimerasa II (uno de los tipos de
ARN polimerasas). El inicio de la transcripción de un gen se encuentra bajo
la influencia de promotores y otros elementos reguladores, así como de otras
proteínas específicas conocidas como factores de transcripción (Jothi y otros,
2009) que interactúan con secuencias específicas de regiones y determinan el
patrón espacial y temporal de expresión de un gen (Pardo, 2004). La síntesis
del transcrito primario de ARN se desarrolla en sentido 5' a 3', mientras que la
cadena del gen que está siendo transcrito y que sirve de plantilla para el ARN
se lee en sentido 3' a 5' con respecto a la dirección del eje de desoxirribosa
fosfodiéster. El ARN sintetizado se corresponde, tanto en polaridad como en
secuencia de bases (sustituyendo U por T), a la cadena 5' a 3' del DNA. La cadena
de DNA 3' a 5' transcrita se denomina cadena no codificante o antisentido
(Pardo, 2004). El transcrito primario de ARN (ARN primario) es procesado
añadiendo una estructura llamada caperuza al extremo 5' del RNA y cortando
el extremo 3' en un punto específico hacia abajo del final de la información
codificante (ARN maduro), (Pardo, 2004). A este corte sigue la adición de una
cola poli-A en el extremo 3' del RNA, lo que parece incrementar la estabilidad
del RNA poliadenilado resultante. La localización del punto de poliadenilación
está especificada en parte por la secuencia AAUAAA (o por alguna variante
de la misma), que en general se encuentra en la porción 3' no traducida del
transcrito de ARN. Tras una modificación en los extremos 5' y 3' del transcrito
primario de ARN, las porciones correspondientes a los intrones son separadas y
los segmentos correspondientes a los exones son empalmados unos con otros
© FUOC • PID_00156943 19 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
(Pardo, 2004). Después del ensamblaje del ARN, el mARN resultante es transportado
del núcleo al citoplasma, donde el mARN es finalmente traducido a
la secuencia de aminoácidos del polipéptido codificado (figura 9).
En el citoplasma, el mARN es traducido a proteína mediante la acción de una
variedad de moléculas de tARN, cada una de las cuales es específica de un
aminoácido concreto. Estas moléculas singulares, cada una de las cuales sólo
tiene una longitud comprendida entre 70 y 100 nucleótidos, desempeñan
la función de transferir el aminoácido correcto a su posición a lo largo de la
plantilla de mARN para ser añadido a la cadena polipeptídica en construcción.
La síntesis de proteínas se produce en los ribosomas, unos complejos macromoleculares
de rARN (codificados por los genes de rRNA 18S y 28S) y varias
docenas de proteínas ribosómicas (figura 9). La clave para la traducción es un
código que relaciona aminoácidos específicos con combinaciones de tres bases
contiguas a lo largo del mARN. Cada serie de tres bases constituye un codón,
que es específico par cada aminoácido. En teoría, las posibles variaciones en
el orden de bases a lo largo de una cadena polinucleótidica son casi infinitas.
En cualquier posición existen cuatro posibilidades (A, T, C o G); por tanto,
para tres bases hay 64 combinaciones posibles de tripletes. Estos 64 codones
constituyen el código genético. Debido a que sólo existen 20 aminoácidos y
64 codones posibles, la mayoría de aminoácidos están especificados por más
de un codón. La traducción de un mARN procesado se inicia siempre en un
codón de metionina. La metionina es, por tanto, el primer aminoácido codificado
(amino-terminal) de cada cadena polipeptídica, aunque generalmente
es eliminada antes de que se complete la síntesis de la proteína (Pardo, 2004).
El codón de la metionina (el codón iniciador, AUG) establece el marco de lectura
del mARN; cada codón que le sigue se lee por turno para establecer la secuencia
de aminoácidos de la proteína. Los enlaces moleculares entre los codones
y los aminoácidos son establecidos por moléculas específicas de tARN.
En cada tARN existe un lugar determinado que forma un anticodón de tres
ases complementario con un codón determinado del mARN. El enlace entre el
codón y el anticodón lleva el aminoácido apropiado a la siguiente posición en
el ribosoma para su incorporación, mediante el establecimiento de un enlace
peptídico con el extremo carboxilo de la cadena polipeptídica en formación.
© FUOC • PID_00156943 20 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 9. Representación del dogma central: ADN-ARN-proteínas
Fuente: Department of Energy (2001). "Human Genome Project". Genomics y Its Impact on Medicine y Society: A 2001 Primer
El ribosoma se desliza entonces a lo largo del mARN exactamente tres ases,
exponiendo el siguiente codón para que sea reconocido por otro tARN con el
siguiente aminoácido. Así, las proteínas se sintetizan desde el amino-terminal
hasta el carboxilo-terminal, que corresponde a la traducción el mARN en dirección
5' a 3' (Pardo, 2004). Según ya se ha señalado con anterioridad, la traducción
termina cuando se encuentra un codón de terminación (UGA, UAA
o UAG) en el mismo marco de lectura que el codón de inicio. Los codones de
terminación existentes en cualquiera de los otros dos marcos de lectura que
no se utilizan no son leídos y, por tanto, no tienen efecto en la traducción.
El polipéptido completado es entonces liberado del ribosoma, que ahora está
preparado para comenzar la síntesis de otra proteína. Muchas proteínas sufren
grandes modificaciones postraducción, entre ellas la fosfoliración y la glucosilación
(Pardo, 2004). Otras modificaciones pueden implicar la partición de
la proteína para eliminar determinadas secuencia amino-terminales que han
servido para dirigirla a su localización correcta dentro de la célula (paso de preproteína
a proteína), o la división de la molécula en cadenas de polipéptidos
más pequeñas (Franco y otros, 2002). La cadena de polipéptidos que constituye
el producto primario de la traducción se pliega y forma enlaces para formar
una estructura tridimensional determinada por su propia secuencia de aminoácidos.
Se pueden combinar dos o más cadenas de polipéptidos, productos
© FUOC • PID_00156943 21 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
de los mismos o diferentes genes, para formar un complejo proteico maduro.
Por ejemplo, dos cadenas de globina alfa y dos de beta-globina se asocian de
forma no covalente para formar la molécula de hemoglobina tetramérica (Pardo,
2004). En definitiva, cada uno de los pasos de este complejo proceso es
susceptible de error, y las modificaciones que interfieren con cada paso son
responsables de las diferencias entre individuos y de posible desarrollo de enfermedad
(Pardo, 2004).
Si bien es cierto que la genómica funcional se basa en la premisa del dogma
central de la genética molecular, señalando que las secuencias del ADN se usan
como templados para la síntesis de ARN y ese ARN se usa subsecuentemente
como templado para la síntesis de proteínas, es importante considerar la nueva
visión del dogma central, debido a los hallazgos de secuencias del genoma
no codificantes (95% del genoma). Todavía queda por analizar y entender las
regiones reguladoras no codificantes y otros elementos funcionales de los genomas
humano y de otros organismos. A tal fin se ha generado el proyecto
llamado ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements), que persigue la identificación
y localización precisa de todos los genes que codifican para proteínas y
no proteínas, la identificación de otros elementos funcionales codificados por
las secuencias de DNA, tales como promotores y otras secuencias transcripcionales
reguladoras, además de determinantes de la estructura y función de cromosomas,
tales como orígenes de replicación. Se pretende tener una enciclopedia
comprensiva de estos aspectos para entender mejor la biología humana,
predecir riesgos potenciales y estimular el desarrollo de nuevas terapias para
prevenir y tratar las enfermedades.
Por lo tanto, se ha señalado que la base para entender el genoma de un mamífero
es caracterizar la parte que se transcribe, o sea, el transcriptoma, así como
conocer qué proteínas codifica, lo que se ha denominado el proteoma, y toda
la inmensa parte que no transcribe a ARN.
© FUOC • PID_00156943 22 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
2. Regulación de los genes y modificación en la
actividad del genoma humano
2.1. Introducción
La mayor parte de las modificaciones en la expresión de los genes y en la actividad
del genoma están en relación con alteraciones en el nivel de la transcripción
del mARN a partir del ADN genómico (Khan y Heuvel, 2003), y la
post-transcripción del mARN a proteínas. Sin embargo, y como se ha especificado
anteriormente, hay varios ejemplos importantes de cambios en la actividad
del genoma en los que los genes per se sufren cambios como consecuencia
de un reordenamiento físico. Además, la expresión génica puede verse modificada
a lo largo de la vida de un individuo sin necesidad de alteraciones en
la secuencia de ADN por medio de los llamados cambios epigenéticos, fundamentalmente
a través de la metilación del ADN y la acetilación y metilación
de histonas, y como método de respuesta a la adaptación de un entorno.
2.2. Modificaciones en la transcripción del mARN a partir del
ADN genómico
El mecanismo principal de regulación de los genes y modificación de la actividad
del genoma es el transcripcional (Franco y otros, 2002). El conocimiento
detallado de las regiones promotoras de los genes esenciales para la transcripción,
y de los diferentes factores de transcripción implicados en la activación
del promotor constituyen un prerrequisito para conocer los mecanismos de
regulación de la transcripción del mARN a partir del ADN genómico (Franco y
otros, 2002; Khan y Heuvel, 2003). Sin embargo, éste es sólo el primer acontecimiento
que se produce antes de que dicho gen dé origen a una proteína
funcional (Franco y otros, 2002).
Los factores de transcripción son moléculas clave de la expresión génica debido
a que pueden regular el mARN dependiendo de señales internas y externas
(Jothi y otros, 2009). Los nutrientes esenciales, tales como calcio, zinc, selenio,
folato y vitaminas C y E, y una variedad de nutrientes no esenciales y componentes
bioactivos pueden actuar como factores de transcripción en el núcleo
de las células (Ivakhno, 2007; Marti y otros, 2005).
© FUOC • PID_00156943 23 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Los ácidos grasos de la dieta
Los ácidos grasos de la dieta (especialmente ácidos grasos mono y poliinsaturados) son
capaces de ligarse directamente a los receptores del gen PPAR4 (Jump, 2002) y modificar
la transcripción de genes críticos involucrados en el metabolismo lipídico (por ejemplo,
liver X receptor) o disminuir la disponibilidad de la SREBP15, un regulador de genes que
codifican para proteínas involucradas en la síntesis del colesterol y la adipogénesis (Jump,
2002). Es decir, los ácidos grasos mono y poliinsaturados se comportan como factores
de transcripción críticos para la expresión de una colección de genes involucrados en el
metabolismo lipídico y el proceso de adipogénesis (Deng y otros, 2007; Jump, 2004). La
variación en la concentración y tipo de estos ácidos grasos en la dieta puede afectar al
nivel de transcripción del mARN de genes relacionados con el metabolismo lipídico y el
proceso de adipogénesis en los individuos.
2.3. Modificaciones en la traducción del mARN
La transcripción de ADN en mARN mediante la ARN polimerasa II comporta la
generación de un mARN primario (regulación transcripcional) que posteriormente
da lugar a un mARN maduro. El ARN maduro es traducido a proteína
por los ribosomas, y en determinados casos dicha proteína es modificada con
posterioridad (regulación post-transcripcional) para que sea funcional. Así por
ejemplo, los péptidos pueden ser modificados químicamente mediante la adición
de fosfato (fosfoliración) o hidratos de carbono (glicosilación) (figura 10).
Estas modificaciones pueden tener una influencia significativa respecto a la
función o la abundancia de la proteína modificada y por lo tanto, afectar a la
actividad del genoma humano. Otras modificaciones pueden implicar la partición
de la proteína para eliminar determinadas secuencia amino-terminales
que han servido para dirigirla a su localización correcta dentro de la célula
(paso de pre-proteína a proteína), o la división de la molécula en cadenas de
polipéptidos más pequeñas (Franco y otros, 2002). En definitiva, cada uno de
los pasos de este complejo proceso es susceptible de error, y las variaciones
que interfieren con cada paso pueden ser responsables de modificaciones en
la actividad del genoma humano.
Figura 10. Esquema representativo de las posibles modificaciones del mARN y proteínas
Fuente: Corrales y otros (2006)
(4)Peroxisome proliferator-activated
receptors
(5)Sterol regulatory element-binding
protein-1
© FUOC • PID_00156943 24 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
2.4. Modificaciones físicas del ADN
Aunque en la mayoría de los casos el mecanismo principal de regulación de los
genes y modificación en la actividad del genoma es el transcripcional y posttranscripcional,
las modificaciones físicas o polimorfismos pueden afectar a la
actividad del genoma humano. Los polimorfismos genéticos son lugares del
ADN donde las secuencias de nucleótidos difieren entre individuos (Spalvieri
y Rotenberg, 2004). Si los polimorfismos se encuentran integrando exones
dan lugar, en la mayoría de los casos, a modificaciones en la expresión de los
genes y en la actividad del genoma, con proteínas con expresión, estructura o
funciones biológicas alteradas. Son resultado de modificaciones del ADN enfermedades
tales como la enfermedad celiaca, la hipercolesterolemia familiar,
la fenilcetonuria, la galactosemia o la fibrosis quística, aparte de las enfermedades
multigénicas como el Alzheimer, la diabetes mellitus, el cáncer y la hipertensión.
Afortunadamente, debido a que sólo del 3 al 5% del ADN humano
corresponde a secuencias que codifican, la mayoría de los polimorfismos se
localizan fuera de estas regiones y parecen no asociarse con alteraciones en la
actividad del genoma.
2.5. Regulación epigenética del ADN
Como se ha especificado anteriormente, la expresión génica puede verse modificada
a lo largo de la vida de un individuo sin necesidad de alteraciones en
la secuencia del ADN, por medio de los cambios epigenéticos (por ejemplo,
metilación y acetilación). La epigenética es aquella disciplina que estudia las
modificaciones de la decoración de las histonas (acetilación, metilación y fosforilación)
y las modificaciones químicas del ADN (por ejemplo, metilación),
que se producen a lo largo de la vida y que se copian de una generación a
otra sin que haya modificación de la secuencia primaria de bases (Qiu, 2006),
pero dando modificaciones a la actividad general del genoma. Además de factores
intrínsecos (metiltransferasas), otros factores ambientales y nutricionales
inciden en la regulación epigenética (figura 11). Las enzimas responsables
de la metilación del ADN son las ADN metiltransferasas, las cuales utilizan la
S-adenosilmetionina como molécula donadora del grupo metilo. En la vía de
la síntesis de la S-adenosilmetionina existen diversos puntos que pueden ser
regulados por algunos compuestos de la alimentación.
La hipometilación se asocia a niveles altos de homocisteína y por tanto al
riesgo de padecer enfermedades cardiovasculares. La dieta puede influir en el
nivel de metilación del ADN; así, la presencia en ella de nutrientes o componentes
alimentarios que favorecen la metilación (folatos, betaína-colina, vitamina
B12 y Zn) puede determinar una situación de ventaja frente a la aparición
de determinadas enfermedades del adulto, como el cáncer, y otras que
se aparecen durante el desarrollo temprano, como la espina bífida (Dannenberg
y Edenberg, 2006; Mai y otros, 2005). Aparte de la metilación del ADN,
la metilación de las histonas también puede afectar a la actividad del genoma
humano (Feil, 2006). Lo mismo ocurre con la adición de residuos de acetilo
© FUOC • PID_00156943 25 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
(acetilación) o la fosforilación (Van den Veyver, 2002). La modificación de las
histonas puede actuar como un sensor del estado metabólico celular y del ambiente
celular (Jenuwein y Allis, 2001; Linggi y otros, 2005). El butirato es un
ácido graso de cadena corta que posee una potente actividad anticancerígena
(figura 13). Su administración inhibe, in vitro, el crecimiento de células tumorales
procedentes de diferentes neoplasias modificando, al mismo tiempo, la
expresión de diferentes genes. Los estudios disponibles parecen apuntar a que
los efectos observados se deben a la acción inhibidora del butirato sobre la
histona desacilasa, lo que provoca una inhibición de la desacetilación de las
histonas del ADN, y una potenciación de la expresión del gen p21Waf1/Cip1,
asociado con la inhibición de la proliferación celular y por lo tanto, del cáncer
(Martínez de Victoria, 2007).
Figura 11. Regiones de los cromosomas con diferencias en la metilación del
ADN, en gemelos jóvenes (3 años) y adultos (50 años)
Los puntos de tinción rojos en los cromosomas adultos nos indican la cantidad de variaciones epigenéticas
acumuladas con los años.
Fuente: Image Copyright (2005). National Academy of Sciences, U.S.A
Además, la acumulación de en la metilación del ADN y la pérdida de regulación
epigenética están involucrados en los procesos de cáncer y envejecimiento
(Qiu, 2006) al demostrarse que la metilación en el ADN es casi idéntica en
gemelos recién nacidos, pero difiere marcadamente en gemelos de edad adulta,
lo que indica la importancia del componente ambiental (Grolleau-Julius y
otros, 2009; Kahn y Fraga, 2009).
© FUOC • PID_00156943 26 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 12. Diagrama de las disciplinas utilizadas para estudiar la regulación de los genes y la
modificación en el genoma humano
Fuente: Jaishankar y Vrana (2009)
Figura 13. Expresión génica en células cancerosas de colon
Efectos de la cúrcuma y del butirato en el perfil de expresión. Las zonas más claras corresponden a genes
que presentan menor expresión, las de intensidad intermedia a genes con mayor expresión, las más
oscuras representan a genes que no cambian su expresión.
Fuente: Martínez de Victoria (2007)
Paralelamente, el disulfuro de alilo, principal fitoquímico del ajo, contiene
también propiedades antineoplásicas al inhibir, en células tumorales in vitro,
la histona desacetilasa y provocando una mayor acetilación de las histonas del
DNA (H3 y H4). Al igual que en el caso del butirato, potencia la expresión del
factor p21Waf1/Cip1 normalmente regulado a la baja en el desarrollo tumoral.
© FUOC • PID_00156943 27 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Tabla 5. Los principales tipos de información epigenética se generan a través de los siguientes
procesos
Descripción de los principales tipos de información epigenética
La metilación de la citosina del ADN es una modificación del ADN, en la que
un grupo metilo es trasferido desde S adenosilmetionina a una posición C-5 de
citosina por una ADN-5 metiltrasferasa. La metilación del ADN ocurre, casi exclusivamente,
en dinucleótidos CpG, teniendo un importante papel en la regulación
de la expresión del gen.
Modificación de histonas: incluyendo acetilación, metilación y fosforilación,
cuyas consecuencias podrían ser i) la facilidad con la que proteínas asociadas a
cromatina podrían acceder al ADN. ii) la generación de combinaciones de modificaciones
en un extremo de histona, o en varios dentro de un nucleosoma.
iii) Las estructuras de eucromatina y heterocromatina serán en mayor medida
dependientes de las concentraciones locales de histonas modificadas.
Fuente: Stover (2004)
La dieta produce cambios en el fenotipo y en la actividad del genoma humano
sin que la secuencia de bases del ADN se modifique (Kussmann y otros, 2006).
© FUOC • PID_00156943 28 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
3. Metodologías para la investigación del
comportamiento del genoma humano
3.1. Introducción
La complejidad del organismo se define a partir de su contenido informativo,
estructural, relacional y particulado, es decir, a partir de genes, del mARN, del
tARN, de las proteínas, orgánulos, tejidos y órganos. El estudio de estos grupos
funcionales interconectados se realiza actualmente mediante la biología de
sistemas, es decir, mediante la escala de la red de interacciones ome y en su
estudio (figura 14).
Figura 14. Representación de la red de interacciones de las tecnologías ome mediante el
software Ingenuity Systems®
3.2. Metodologías para el estudio de la genómica
La genómica es la ciencia que estudia el conjunto completo de genes de un
organismo (Jaishankar y Vrana, 2009). La progresiva evolución del Proyecto
Genoma Humano constituye uno de los ejes centrales que han impulsado el
desarrollo de las tecnologías en genómica (Brockman y Tamminga, 2001). Su
© FUOC • PID_00156943 29 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
objetivo principal consiste en acelerar la genotipificación y la detección de polimorfismos
en el genoma humano potencialmente utilizables como biomarcadores
de ciertos estados de salud o enfermedad (Spalvieri y Rotenberg, 2004).
Los microarray son la herramienta más utilizada en la genómica (Kronick,
2004). Los microarray son plataformas (membranas, vidrios o superficies sólidas
no porosas), que generalmente no superan el tamaño de un portaobjeto o
tarjetas con secuencias conocidas de ácidos nucleicos del orden de los nanolitros
(Spalvieri y Rotenberg, 2004). Actualmente, Affymetrix (2009) distribuye
un microarray de DNA (Affymetrix Genome-Wide Human SNP Array 6.0) con 1,8
millones de marcadores genéticos y aproximadamente 906.600 SNPs en más
de 946.000 probetas para la detección del número de copias producidas.
Hay dos métodos de construcción de microarray de DNA (Lockhart y Winzeler,
2000):
• Los métodos que construyen las secuencias de oligoNT (productos de la
PCR, plásmidos o oligonocleotidos) in situ y mediante técnicas electroquímicas
o de fotolitografía.
• Los métodos que construyen la deposición robótica del ADN.
De acuerdo con el tamaño de las secuencias empleadas, los microarrays serán
de alta o baja densidad. Los primeros están preparados con cADN, pueden tener
hasta varias kilobases de longitud y generalmente son los productos amplificados
y generados por PCR a partir de las bibliotecas de cADN o colecciones
de clones. Los de baja densidad emplean fragmentos pequeños de ADN u
oligoNT cortos (20-25 bases) o largos (50-80 bases) presintetizados o de síntesis
in situ (Spalvieri y Rotenberg, 2004).
Los microarrays de ADN de deposición robótica del ADN se preparan depositando
oligonucleótidos (oligoNT; secuencias cortas de nucleótidos), cADN
(ADN monocatenario y complementario al mARN que contiene la secuencia
codificante de un gen), o ADN de doble cadena (gADN) pre-seleccionados en
la plataforma que podrán hibridar con los correspondientes ácidos nucleicos
provenientes de cualquier material biológico adecuadamente preparado (figura
15).
© FUOC • PID_00156943 30 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 15. Esquema de los principales microarrays utilizados para la monotorización de los SNP
en el genoma humano
Los microarrays de ADN pueden ser producidos por dos vías: la deposición robótica del ADN o síntesis in situ de
oligonucleotidos. Así la imagen a) representa un array de oligonucloticos, y la b), un microarray de ADN después de la
hibridación de las muestras y la detección de fluorescencia.
Fuente: Lockhart y Winzeler (2000)
Según los objetivos, existen distintos tipos de ensayos con microarray. El objetivo
más frecuente consiste en comparar el perfil genético entre dos muestras
simultáneamente. En este caso, ambas muestras serán co-hibridadas e incluidas
en el mismo microarray, marcándolas con radioisótopos diferentes o fluoróforos
que posean distinta frecuencia para la emisión de fluorescencia, tales
como las cianinas o digoxigeninas (figuras 15 y 16). En general, este tipo de
ensayo emplea matrices de alta densidad y es aplicado a la comparación de patrones
genéticos, donde el nivel relativo de ambos ARN puede ser determinado
por la relación Cy3/Cy5 para cada gen (Spalvieri y Rotenberg, 2004). De este
modo se reduce la variabilidad y es posible comparar tejidos sanos versus sus
contrapartidas anormales o enfermas y observar las diferencias en la secuencia
de los genes (Lockhart y Winzeler, 2000).
© FUOC • PID_00156943 31 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 16. Procedimientos para la construcción y utilización de los microarrays de ADN para
comparar el perfil genético entre dos muestras simultáneamente
Fuente: García-Vallejo (2004)
Actualmente, abundan las publicaciones que utilizan microarray en el estudio
de enfermedades de variada etiología, todas abocadas a identificar los SNP involucrados
en mecanismos como el estrés oxidativo, procesos inflamatorios
e infecciosos, rechazos de trasplantes, enfermedades degenerativas, cardiovasculares,
cáncer, o en la búsqueda de nuevas modalidades terapéuticas. No obstante,
la cantidad de datos publicados con esta nueva metodología obliga a
extremar las precauciones para su interpretación. Uno de los factores limitantes
es la fluctuación de resultados obtenidos con diferentes matrices diseñadas
con el mismo fin, debido a diferentes métodos de estandarización y pre-tratamiento
de los datos.
Los avances tecnológicos de la última década y la introducción de los
microarrays de ADN han impulsado cambios revolucionarios en el campo
de la biología molecular. Miles de genes requieren una adecuada investigación
para determinar su papel en el delicado equilibrio salud-enfermedad.
Así como hoy usamos la historia familiar y la determinación
del colesterol para predecir el riesgo de una coronariopatía, los tests de
polimorfismos permitirán una adecuada prevención basada en el perfil
genético propio de una gran gama de enfermedades, posibilitando una
intervención precoz. La profundización en el estudio de la variabilidad
genética nos introduce en los albores de una nueva medicina. No obstante,
queda aún camino para seguir estandarizando estos métodos y
encontrar SNP altamente correlacionados con enfermedades crónicas y
multigénicas.
© FUOC • PID_00156943 32 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
3.3. Metodologías para el estudio de la transcriptómica
3.3.1. Introducción
La transcriptómica es la disciplina que estudia el conjunto completo de moléculas
de ARN mensajero presentes en una célula, tejido u órgano (Jaishankar y
Vrana, 2009). Sin restar ninguna importancia a la información esencial contenida
en el genoma y en su variación, la realidad es que los procesos biológicos
no son estáticos, sino altamente dinámicos, y su estudio requiere el uso de las
otras ome más allá de la genómica (Kussmann y otros, 2008). La más avanzada
tras la genómica quizá sea la transcriptómica, que estudia la expresión de
los genes basados en la cuantificación del ARN mensajero. La transcriptómica
informa sobre qué genes están transcripcionalmente activos en términos cualitativos
y cuantitativos. También revela si diferentes variantes genéticas dan
lugar a cambios en la expresión (regulación) génica, y esta información es crítica
a la hora de asignar funcionalidad a los polimorfismos genéticos asociados
con fenotipos y/o riesgo de enfermedad.
El desarrollo de la transcriptómica requiere técnicas para el análisis simultáneo
de la expresión de muchos o idealmente todos los genes de un tipo celular
o tejido, por ejemplo, en función de la nutrición, del momento del desarrollo,
del estadio del ciclo celular, entre otros (Mariman, 2006). El estudio de la
transcriptómica se ha visto facilitado por los microarrays de expresión génica,
plataformas sólidas de vidrio o plástico o membranas, similares a los chips utilizados
en la genómica. Los microarrays están diseñados a partir de ácidos nucleicos
en forma de cADN (ADN monocatenario y complementario al mARN
que contiene la secuencia codificante de un gen), secuencias cortas de nucleótidos
(oligonucleótidos), o ADN de doble cadena (Kronick, 2004). Consiste en
una colección de puntos microscópicos o spots distribuidos de manera paralela
sobre los soportes: cada punto contiene muchas copias de unas secuencia
concreta de ADN, con una capacidad de hibridación específica. Por tanto, los
microarray permiten analizar simultáneamente múltiples secuencias de genes
en mezclas complejas (sangre, tejido mamario, próstata, orina, entre otros).
En todos los casos, cada material genético que se coloca en el microarray está
referido a un gen de situación y características conocidas o predichas con cierta
verosimilitud. Así, por ejemplo, el microarray GeneChip® Human Gene 1.0
ST Array (2009; Affymetrix, CA) contiene 28.869 genes representados con 26
puntos de unión posibles, aportando una imagen muy precisa de la expresión
genética del tejido a estudiar (figura 17).
De forma general, el proceso completo del estudio de la expresión génica mediante
transcriptómica para estimar el nivel de expresión de cada uno de estos
genes empieza aislándose el mARN que en un momento determinado están
produciendo las células del organismo de un tejido en concreto (Duggan y
otros, 1999). Como el mARN es una molécula que es degradada fácilmente
por enzimas habitualmente presentes en el medio ambiente, conviene trans©
FUOC • PID_00156943 33 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
formarlo en una molécula más estable cADN (ADN complementario) que contiene
la misma información que el mARN. Esto se realiza mediante la acción
de la transcriptasa inversa.
El cADN es marcado mediante radioactividad o fluorescencia y se desnaturaliza
e hibrida con la posición en el que se encuentre la secuencia de ADN específica
y complementaria en el microarray (Duggan y otros, 1999). Resumidamente,
los ADN de cadena simple son capaces de asociarse entre sí cuando sus
secuencias son complementarias, mediante el establecimiento de puentes de
hidrógeno entre los pares de bases que guardan complementariedad tal como
Watson y Crick (1953) establecieron. La hibridación de ADN es un proceso
altamente específico. Una secuencia de sólo 20 bases, seleccionada de forma
adecuada, puede hibridar selectivamente e identificar a un gen único.
Figura 17. Microarray de DNA (GeneChip® Human Gene 1.0 ST Array)
Acabada la fase de hibridación, se eliminan los ácidos nucleicos solubles que
no han hibridado, el microarray es irradiado con la longitud de onda especifica
de excitación de los fluoróforos usados (en un mismo microarray pueden
utilizarse diferentes fluoróforos para diferentes muestras, por ejemplo, control
"verde" versus tratamiento "rojo" (figura 18) (Duggan y otros, 1999), lo que permite
la obtención de una imagen específica para cada muestra, con diferentes
niveles de intensidad para cada spot, que constituyen una medida directa y
cuantitativa de la abundancia relativa de los diferentes mARN representados
en el microarray en cada una de las dos muestras (Kronick, 2004). Así, la señal
recibida estará en función de la cantidad de cada cADN que a su vez depende
de la cantidad que hubiera en la muestra aislada del mARN concreto que lo
generó.
El alto grado de integración del microarray permite, en un solo ensayo, obtener
multitud de valores de expresión génica relativa para distintas condiciones
biológicas, lo que convierte a esta técnica en una herramienta de alto rendimiento
para trabajos en el área de la genómica funcional.
© FUOC • PID_00156943 34 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Actualmente, se utiliza la transcriptómica para estudiar qué genes están implicados
en la aparición y desarrollo de una enfermedad mediante la comparación
del perfil de individuos sanos e individuos enfermos, o para determinar
qué genes son modificados por la ingestión de determinados micronutrientes
o macronutrientes. Por lo tanto, la aplicación de estas técnicas es decisiva para
profundizar en el conocimiento de los efectos de determinados nutrientes o de
su carencia, o de un determinado tipo de dieta sobre la expresión génica global,
y así identificar nuevos genes regulados por nutrientes. Finalmente, otro
de los usos de los microarrays de transcriptómica es el empleo de los patrones
de expresión como predictores de la respuesta al tratamiento medicamentoso.
Basado en lo anterior, en el mundo de la oncología, las investigaciones se
orientan hacia la expresión y funcionalidad génica en la definición de subtipos
clínicos e histopatológicos, la agresividad tumoral, la existencia de enfermedad
mínima residual, la respuesta al tratamiento y la búsqueda de nuevos
blancos terapéuticos. Dichos enfoques permiten ampliar los conocimientos
sobre la evolución y pronóstico de ciertas neoplasias.
Figura 18. Esquema de un estudio de transcriptómica mediante el uso de un microarray de ADN
El mARN de la muestra tratamiento y control son teñidos específicamente con diferentes colorantes (Cye3 y Cye5) e hibridados
en el microarray. La excitación del láser produce una emisión fluorescente que indirectamente nos proporciona los datos de
expresión de los diferentes genes.
Fuente: Duggan y otros (1999)
3.3.2. Un caso particular. Uso de los microarray de ADN para el
estudio del cáncer cérvico uterino
El carcinoma cérvico uterino representa la segunda causa de mortalidad en
población femenina a nivel mundial (Parkin y Bray, 2006), con 493.000 nuevos
casos y 274.000 muertes en el 2002. La mayoría de casos aparecen entre
los 30 y 50 años de edad. Los factores de riesgo asociados al desarrollo del carcinoma
cérvico uterino son el número de parejas sexuales, inicio temprano de
vida sexual activa, multiparidad, infecciones virales como el SIDA, entre otros
(Chichareon y Tocharoenvanich, 2006; Frega y otros, 2003; Fridmann y otros,
2006; Sierra-Torres y otros, 2006; Suarez Rincon y Suarez Rincon, 2005). Sin
embargo, el factor etiológico más importante para el desarrollo del carcinoma
© FUOC • PID_00156943 35 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
cérvico uterino es la infección con virus de papiloma humano de alto riesgo
(VPH–AR), principalmente los tipos 16 y 18 (Franceschi y otros, 2009; Kim y
otros, 2009). Se ha demostrado que los genomas de los VPH–AR usualmente
se integran al genoma de las mujeres. Esta integración se realiza en diversos
sitios, algunos de ellos cercanos a oncogenes específicos o sitios frágiles (figura
19), sugiriendo que este evento puede tener un papel importante en el desarrollo
de los tumores cervicales (Lie y Kristensen, 2008).
A partir de análisis transcriptómicos del mARN de los tejidos invasores obtenidos
a través de biopsias guiadas por colposcopia de la lesión tumoral de mujeres
premenopáusicas, se pueden analizar los cambios de expresión génica en
los carcinomas cérvico-uterinos. En este caso en particular (Lie y Kristensen,
2008) describieron que en el cérvix uterino aumentó el nivel de expresión de
los linfocitos, macrófagos, fibroblastos, queratinocitos, células endoteliales y
células tumorales. Además, describieron la propiedad oncogénica de las proteínas
virales E6 y E7 y su capacidad de inactivar a las proteínas celulares supresoras
de tumor pRB y p53 (Lie y Kristensen, 2008), respectivamente, permitiendo
así la transformación e inmortalización de las células infectadas. La
inactivación de los genes supresores de tumor, ya sea por mutaciones génicas o
por presencia de virus, genera la desregulación del ciclo celular y la activación
de varios proto-oncogenes (Lie y Kristensen, 2008).
© FUOC • PID_00156943 36 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 19. Una infección persistente del papillomavirus puede, con el tiempo,
desarrollar carcinoma cérvico uterino
La mayoría de carcinomas cérvico uterinos empiezan en las zonas de transformación (mostrado
en la fotografía de arriba a la izquierda). El virus (HPV) accede a las células basales a través de las
microabrasiones de las células escamosas. CIN: Cervical intraepithelial neoplasia; HPV: Human
papillomavirus.
Fuente: Lie y Kristensen (2008)
3.4. Metodologías para el estudio de la proteómica
La proteómica es la ciencia que estudia el proteoma o conjunto de proteínas en
un momento determinado (Jaishankar y Vrana, 2009). Hasta el presente ninguna
ome puede proveer individualmente la información suficiente que nos
permita resolver las incógnitas biológicas, y en el caso de la transcriptómica, es
bien aparente porque comúnmente la cantidad de mARN no se correlaciona
con la de proteínas, las encargadas de gran parte de los procesos metabólicos
y funciones en el organismo. De ahí que necesitemos el complemento de la
proteómica.
El proteoma muestra variaciones dependiendo del estadio de desarrollo, el órgano,
el gasto metabólico, la salud del organismo, la nutrición, entre otros
(Tyers y Mann, 2003). Como el tanscriptoma, el proteoma es dinámico, en
el sentido de que cambia en función de las condiciones ambientales y otros
factores.
© FUOC • PID_00156943 37 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Las técnicas actuales de la proteómica permiten el estudio a gran escala de
las proteínas, incluyendo su separación, identificación, localización y sus interacciones
(Tyers y Mann, 2003). La proteómica abarca aspectos que no puedan
ser reflejados en el transcriptoma, como son la abundancia relativa de
una proteína, sus isómeros y modificaciones post-transcripcionales, la localización
subcelular, el recambio proteico, así como las interacciones entre proteínas
y su función (figura 20). Consecuentemente, la tecnología proteómica
es compleja e incluye todo un conjunto de técnicas resolutivas cuantitativas
y de identificación y caracterización de proteínas. Además, implica el procesamiento
de sus resultados en bases de datos complejos, interconectadas con
los datos procedentes de la secuenciación del ADN y mapeado genómico a
partir de la expresión en microarrays, los perfiles fenotípicos a nivel celular o
de organismo, y otros arrays basados en metabolitos. La integración de estos
datos a partir de la bioinformática es crucial para el emergente campo de la
genómica funcional (Tyers y Mann, 2003).
Figura 20. Integración de las diferentes disciplinas de la genómica funcional (e.g. proteómica y
genómica) en el marco de la biología de sistemas
Fuente: Tyers y Mann (2003)
Las dos principales técnicas.actuales.de.la.proteómica son:
1) Gel bidimensional, donde la visualización de proteínas se realiza en un gel
de dos dimensiones separándose las mismas por su masa y punto isoeléctrico
(figura 21), y posteriormente se escinde, digiere e identifica por espectrofotometría
de masas (Gorg y otros, 2004).
2) Identificación proteica por tecnología multidimensional, en la que se digieren
previamente la mezcla de proteínas y los péptidos resultantes se separan
por espectofotometría de masas (Washburn y otros, 2001).
© FUOC • PID_00156943 38 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 21. Imagen de un gel bidimensional
El gradiente de pH está en el eje horizontal, incrementándose de derecha a izquierda, en este caso, de 3 a 11. El gradiente
vertical es el tamaño (peso molecular), de 220 a 14.3x10(-3) kDa.
Fuente: Cieslak y otros (2007)
La espectrofotometría de masas es la técnica utilizada para identificar proteínas
y para distinguir específicamente las modificaciones post-transcripcionales,
que suponen un cambio en la masa de la proteína, con la fosforilación, o la
acetilación del extremo N-terminal, entre otras. Normalmente, MALDI-TOF6
y la espectrometría de masas en tándem (simplificada con las siglas MSMS),
han sido las técnicas más usadas para la identificación de proteínas. Sin embargo,
la técnica de SELDI-TOF-MS7, espectometría de masas en "tiempo de vuelo"
mediante desabsorción-ionización por láser de superficie, está apareciendo
como una alternativa emergente (Liu y otros, 2007; Makioka y otros, 2007;
Suzuyama y otros, 2004; Yang y otros, 2005). SELDI-TOF-MS es una técnica
de proteómica para analizar mezclas complejas de proteínas (Aivado y otros,
2005). Actualmente, la técnica de SELDI-TOF-MS se usa para medir niveles de
proteínas en muestras de tejidos, sangre, orina y otras muestras de pacientes
(Aivado y otros, 2005; Cazares y otros, 2008; Dammann y otros, 2006; Fels y
otros, 2003; Hong y otros, 2005; O'Gorman y otros, 2006). Es un método de
detección de proteínas rápido, reproducible y fiable (Aivado y otros, 2005).
En esta técnica la mezcla de proteínas de la muestra a analizar se coloca sobre
una superficie modificada (arrays) capaz de unir la proteína (s) a detectar (Issaq
y otros, 2002). La superficie del array puede estar químicamente activada
para obtener la absorción necesaria o, en otros casos, para obtener uniones
específicas pueden usarse como moléculas capturadotas ADN, anticuerpos u
otras proteínas con capacidad de unir la proteína a detectar. El lavado libera
las proteínas que se unen a la superficie de forma inespecífica. Se aplica un
tratamiento con EAM8 que hace posible la posterior acción de desabsorción y
ionización del láser. Se analiza el "tiempo de vuelo" en el que se mide el tiempo
que cada proteína ionizada tarda en alcanzar el extremo del tubo (figura 22).
(6)Matrix-assisted laser desorption/
ionization time of light
(7)Surface enhanced laser desorpción
ionization time of flight mass spectrometry
(8)Energy absorbing molecules
© FUOC • PID_00156943 39 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Este tiempo depende de la masa de la proteína (Aivado y otros, 2005; Tyers y
Mann, 2003). El espectrómetro de masas nos permite aproximar la masa de la
proteína a detectar. La diferencia de niveles de determinadas proteínas entre
pacientes con una enfermedad dada frente a pacientes que no la padecen puede
servirnos como marcador diagnóstico. Así por ejemplo, esta técnica SELDITOF-
MS se está usando para identificar proteínas implicadas en las etapas iniciales
de la progresión tumoral buscando marcadores para diagnóstico precoz
y detección de metástasis (Cazares y otros, 2008). Concretamente, en el caso
particular del hepatocarcinoma, se han realizado varios estudios en los que,
mediante la utilización de proteómica diferencial, se consigue un panel de
proteínas específicamente alteradas que se proponen como biomarcadores y,
en algún caso, se les asigna un papel clave en el desarrollo de esta enfermedad
(Corrales y otros, 2006). La hepatocarcinogénesis es un proceso lento y multifactorial
que implica la acumulación progresiva de cambios a nivel genómico
y proteómico que alteran el fenotipo de los hepatocitos induciendo la aparición
de intermediarios celulares que evolucionan a hepatocarcinogénesis. La
descripción de un repertorio de marcadores de hepatocarciogénesis, algunos
tempranos y otros específicos de tumor, resulta de gran utilidad en el seguimiento
de la población de riesgo y en la detección precoz de esta enfermedad
(Corrales y otros, 2006). La incorporación de la proteómica a estudios nutricionales
todavía es escasa, pero presenta grandes oportunidades (Baggerly y
otros, 2005).
Figura 22. Diagrama esquemático del espectrofotómetro de masas Ciphergen SELDI-TOF MS
(Ciphergen Biosystems®, Inc., Fremont, CA)
Después de la preparación de las muestras, los Protein Chip Array (Ciphergen Biosystems®, Inc., Fremont, CA) son analizados
con una cierta intensidad de láser. El TOF MS mide los pesos moleculares de las proteínas retenidas en el array específico.
Fuente: Issaq y otros (2002)
© FUOC • PID_00156943 40 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
3.5. Metodologías para el estudio de la metabolómica
La metabolómica es la ciencia que estudia el conjunto completo de metabolitos
en una célula, tejido u órgano, así como un amplio espectro de muestras
biológicas (suero, plasma, orina, tejido mamario, de próstata, hepático,
extractos celulares, entre otros). Los metabolitos son moléculas cuantificables
que reflejan el fenotipo celular. Esta información es fundamental para la comprensión
de las rutas metabólicas, sin embargo la tarea de identificación de
estas moléculas es tan compleja como el mismo proyecto genoma humano, ya
que representa la ampliación y la integración de señales procedentes de otros
niveles de la genómica funcional, como la transcriptómica y la proteómica
(figura 23) (Nielsen y Oliver, 2005). Aunque esto hace de la metabolómica un
instrumento muy potente para el análisis del fenotipo, aún existe un problema
de relación entre éste con el genoma y un problema de interpretación (Nielsen
y Oliver, 2005). Es necesario el entendimiento de los múltiples factores que
influyen la salud humana y cuyo conocimiento se incrementará con la cuantificación
de la acción de los metabolitos en cada individuo.
Figura 23. Interacción entre las diferentes disciplinas ome en el organismo
Cada disciplina ome (excepto la genómica) es una compleja función de los otros. El nivel de integración crece desde abajo
hacia arriba.
Fuente: Nielsen y Oliver (2005)
Las técnicas que pueden utilizarse para el estudio del metaboloma son muy
variadas y están todavía en fase de adaptación, incluyen la resonancia magnética
y la espectroscopia de masas, cada una de ellas con sus ventajas y sus
inconvenientes (Griffin y Bollard, 2004; Pognan, 2004; Robertson, 2005).
1) La espectroscopia.de.resonancia.magnética permite medir el contenido
de protones en muestras biológicas complejas de moléculas de pequeño peso
molecular. Tiene varias ventajas, entre ellas que las muestras prácticamente
no necesitan preparación especial y que el tiempo de medición es muy breve,
lo que permite medir cientos o miles de muestras. Además, la tecnología es
relativamente fácil de estandarizar, lo que permite la comparación entre laboratorios
e instrumentos (Dumas y otros, 2006).
© FUOC • PID_00156943 41 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
2) En el caso de las técnicas basadas en espectroscopia.de.masas, normalmente
se utilizan en tándem con técnicas de separación tales como la cromatografía
líquida o de gases. La ventaja de estas técnicas está en su sensibilidad; la
desventaja, en la necesidad de procesar las muestras antes de su separación.
Aplicación de la metabólica
Se ha utilizado la metabolómica basada en resonancia magnética para estudiar los efectos
de dietas con diferente contenido de productos de origen animal en las rutas metabólicas
(Stella y otros, 2006). Este estudio demostró que un consumo de dietas ricas en proteína
animal resulta en la aparición de altas concentraciones de creatinina, creatina, trimetilamina-
N-óxido, taurina y metilhistidina 1 y 3; mientras que una dieta vegetariana se relaciona
con elevadas concentraciones de p-hidroxifenilacetato y concentraciones disminuidas
de N,N,N-trimetil-lisina. Paralelamente, otros estudios han demostrado el poder
de la metabolómica para el diagnóstico de diferentes enfermedades. Diferentes plataformas
analíticas han aplicado la metabolómica con éxito para el estudio de biomarcadores
potenciales en la detección de enfermedades coronarias e hipertensión (Brindle y otros,
2003), así como cáncer de hígado y cáncer epitelial de ovario (Guan y otros, 2009; Yang y
otros, 2004), diabetes mellitus tipo 2 (Yang y otros, 2004) enfermedades de las neuronas
motoras (Rozen y otros, 2005), isquemia del miocardio (Sabatine y otros, 2005), y enfermedad
de Huntington (Underwood y otros, 2006).
© FUOC • PID_00156943 42 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
4. Una relación complicada: enfermedades y nutrición
4.1. Introducción
Las interacciones entre el genoma y los componentes alimentarios pueden estudiarse
a distintos niveles (nutrigenómica y nutrigenética), lo que permite
obtener y extraer la máxima información acerca del papel de la dieta en el
mantenimiento de la salud y en el inicio, desarrollo, evolución y gravedad de
una enfermedad y en consecuencia en su prevención. Estos niveles comienzan
con la estructura génica (genómica) y siguen con la decoración genómica (epigenética),
la transcripción génica (transcriptómica), la traducción y procesado
post-transcripcional (proteómica), la caracterización y modulación metabólica
(metabolómica) y las implicaciones en el fenotipo final tanto estructural
como funcional (figura 24).
Figura 24
La nutrigenómica y la nutrigenética buscan obtener y extraer la máxima información acerca del papel de la dieta en el
mantenimiento de la salud y enfermedad (por ejemplo, enfermedad cardiovascular) mediante el estudio de la estructura y
secuencia génica y siguen con la decoración genómica (epigenética), la transcriptómica, la proteómica, la metabolómica.
Fuente: modificado de Schadt (2009).
Toda esta información aplicada a colectivos y poblaciones, describiendo su
nutrición y otros factores ambientales, pone en nuestras manos unas herramientas
diagnósticas, terapéuticas y epidemiológicas muy potentes, que nos
permiten caracterizar desde el punto de vista nutricional a colectivos y poblaciones,
facilitando el desarrollo de políticas de salud pública en el campo de
© FUOC • PID_00156943 43 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
la alimentación y la nutrición (Martínez de Victoria, 2007). No obstante, debemos
decir que estamos al comienzo, como veremos en el contenido de esta
revisión, y que tenemos que recorrer un importante camino, no exento de
dificultades conceptuales, metodológicas, e incluso éticas, hasta llegar a una
aplicación generalizada y rutinaria de la nutrigenómica y la nutrigenética.
4.2. Nutrigenómica
4.2.1. Introducción
La nutrigenómica es la ciencia que se ocupa de estudiar los efectos de los nutrientes
en el la actividad del genoma humano (Mitroi y Mota, 2008; Svacina,
2007). Su desarrollo abarca la aplicación de las metodologías ome como son
la transcriptómica, proteómica y metabolómica, junto con la bioinformática
y técnicas epidemiológicas, nutricionales y bioquímicas clásicamente establecidas.
Las enfermedades de causa multifactorial en las que la alimentación condiciona,
al menos en parte, su desencadenamiento y severidad, o su prevención,
son un campo en el que la nutrigenómica potencialmente desempeña un papel
fundamental (figura 25). La secuenciación completa del genoma humano
es sólo el inicio para entender la nutrigenómica. Todavía falta identificar muchos
de los genes y conocer la función de los productos expresados por esos
genes, o sea, los ARN funcionales y las proteínas, así como regiones reguladoras
no codificantes y otros elementos funcionales de los genomas humano
(Pardo, 2004).
Por lo tanto, se ha señalado que la base para entender la nutrigenómica
es caracterizar el genoma, pero también las diferencias individuales
(cualitativas y cuantitativas), el transcritpoma y las proteínas y metabolitos
resultantes.
Figura 25
La nutrigenómica estudia las enfermedades de causa multifactorial como la obesidad y las enfermedades cardiovasculares en las
que la alimentación condiciona, al menos en parte, su desencadenamiento y severidad.
Así, la nutrigenómica quiere responder a las preguntas siguientes:
• ¿Qué componentes de la dieta tienen importantes efectos beneficiosos para
la salud?
© FUOC • PID_00156943 44 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
• ¿Cómo, dónde y cuándo ejercen estos efectos?
• ¿Pueden algunos de estos mismos componentes tener también efectos adversos?
• ¿En qué cantidad, en qué forma y en qué combinaciones son más efectivos?
• ¿Qué necesidad tenemos de comer tales componentes para prevenir el desarrollo
de determinadas enfermedades, como las enfermedades cardiovasculares,
cáncer, diabetes mellitus, u obesidad, alcanzando un máximo de
prevención con un riesgo mínimo?
4.2.2. Objetivos
La nutrigenómica tiene como objetivo proporcionar un conocimiento molecular
sobre los efectos de la dieta que contribuyen a la actividad del genoma
humano (Ordovas y Mooser, 2004; Svacina, 2007). Secundariamente pretende
ser una herramienta útil para prevenir, mitigar, pronosticar, o tratar y curar
enfermedades. Por último, la nutrigenómica busca mejorar tanto la seguridad
como la eficacia de los alimentos al acceder a un nivel de comprensión más
preciso de las influencias de los alimentos y sus componentes en los sistemas
homeostáticos (Palou, 2006).
4.2.3. Descripción
La nutrigenómica es la disciplina que estudia los efectos de los diferentes nutrientes
de una dieta en la actividad del genoma humano y su relación con la
aparición o prevención de enfermedades (Mitroi y Mota, 2008; Svacina, 2007).
También pretende ser un herramienta útil para prevenir, mitigar, pronosticar
o tratar y curar enfermedades, es decir, una herramienta para mejorar la salud
humana y mejorar la seguridad como la eficacia de los alimentos al acceder
a un nivel de comprensión más preciso de las influencias de los alimentos y
sus componentes en los sistemas homeostáticos (Palou, 2006). Todo ello, utilizando
las herramientas de la genómica funcional actuales (transcriptómica,
proteómica, metabolómica), (Martínez de Victoria 2007).
Un concepto básico es que la progresión desde un fenotipo sano a un fenotipo
de disfunción crónica puede explicarse por cambios en la expresión genética
o por diferencias en las actividades de proteínas y metabolitos, y que
los componentes de la dieta directa o indirectamente regulan la expresión del
genoma humano (Marti y otros, 2005). Sin embargo, para conseguir de forma
satisfactoria este objetivo, se necesita cambiar radicalmente el concepto actual
de nutrición. Los efectos de la nutrición no pueden verse a partir de simples
ensayos epidemiológicos en los que se estudia la relación entre la nutrición y
las enfermedades crónicas en poblaciones genéticamente no caracterizadas. El
© FUOC • PID_00156943 45 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
estudio de las moléculas bioactivas de los alimentos y sus efectos en las enfermedades
multifactoriales, o en periodos críticos del desarrollo (preconcepcional,
gestacional, postnatal, infantil, vejez) deben estudiarse considerando la
epidemiología, la biología molecular, la bioquímica y la genómica funcional
(Mutch y otros, 2005). Una vez se conocen las predisposiciones genéticas y los
factores ambientales, el estado de salud del paciente y cuándo y cómo se afecta
la expresión de los genes, las proteínas y los metabolitos, la nutrigenómica
puede ser una gran herramienta para prevenir, mitigar, pronosticar o tratar y
curar las enfermedades (figura 26, tabla 6).
Las diferencias individuales –cualitativas y cuantitativas– complican los intentos
de encontrar patrones en la expresión de genes modificados por la dieta
(Marti y otros, 2005). Además, conocer la composición de la dieta de los sujetos
es difícil. Nuestra dieta es omnívora. La mayoría de alimentos son una
compleja mezcla de nutrientes y componentes bioactivos, a menudo con acciones
sinérgicas, y de numerosos otros componentes, incluyendo tóxicos naturales
de los alimentos, microorganismos, contaminantes, aditivos, sustancias
formadas durante la cocción, entre otras (Palou, 2006).
Complejidad de una comida
Para ejemplificar la complejidad de una comida podemos considerar los cientos de compuestos
del aceite de oliva. La variedad y concentración de sus ácidos grasos, triacilglicéridos,
esteroles, ésteres de esterol y tocoferoles garantiza una amplia diversidad de funciones,
ya que estos componentes tienen destinos celulares diferentes y por lo tanto,
una amplia diferenciación en la expresión de los genes, proteínas y metabolitos (Marti
y otros, 2005).
Figura 26
El estudio de las predisposiciones genéticas, los factores ambientales, el estado de salud del paciente y cuándo y cómo afecta la
expresión de los genes, las proteínas y los metabolitos es el fundamento de la nutrigenómica como herramienta para prevenir,
mitigar, pronosticar o tratar y curar las enfermedades.
Fuente: García-Vallejo (2004)
© FUOC • PID_00156943 46 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Por otro lado, es poco factible poder controlar la dieta en estudios poblacionales
de gran tamaño, y la presencia de una enfermedad puede considerarse
una influencia ambiental que afecta el perfil de expresión de genes. Se ha visto
que la presencia de obesidad enmascara un loci adicional de diabetes tipo 2 en
ratones C57BL/6 y BTBR (Stoehr y otros, 2000).
Tabla 6. Listado de los principios fundamentales que han impulsado el estudio de la genómica
nutricional
Principios.fundamentales
Algunos componentes de la dieta pueden actuar alterando la expresión o estructura
de los genes.
En algunos individuos y bajo ciertas circunstancias, la dieta puede ser un factor
de riesgo de una enfermedad.
Genes reguladores por la dieta pueden jugar un papel importante en el inicio,
incidencia y progresión y/o severidad de las enfermedades crónicas.
La constitución genética individual puede influir sobre el binomio salud-enfermedad.
Las intervenciones dietéticas basadas en las necesidades nutricionales, el estado
nutricional y el genotipo se utilizarán para prevención y terapia de enfermedades
crónicas.
Fuente: Kaput (2005); Kaput y Rodriguez (2004)
Debido a esta extrema complejidad, hoy por hoy, la mayoría de experimentos
se han centrado a investigar genes regulados de forma diferente según el
tipo de dieta entre dos o más genotipos, enfermos o sanos, y utilizando los
animales de laboratorio como modelos humanos (Marti y otros, 2005). Generalmente,
los genotipos de ratones son seleccionados basándose en su susceptibilidad
a enfermedades causadas por la dieta. El criterio para identificar un
gen candidato de enfermedad es:
1) los genes deben ser diferencialmente regulados por la dieta y/o
2) por el genotipo, y
3) deben estar localizados en regiones cromosómicas9 asociadas a la enfermedad.
4.2.4. ¿Qué componentes de la dieta tienen importantes efectos
beneficiosos para la salud?
Los nutrientes se clasifican en macronutrientes (proteínas, lípidos, hidratos de
carbono), que se encuentran en mayor proporción en los alimentos y nuestro
organismo necesita en cantidades mayores, y en micronutrientes (vitaminas y
minerales), que se encuentran en concentraciones mucho menores en los alimentos
y de los que también el organismo necesita cantidades menores para
su funcionamiento (Martínez de Victoria, 2007). Se ha estimado que en la dieta
.humana se requieren aproximadamente unos 30.micronutrientes, cuya
(9)Por ejemplo, regiones del DNA
(QTL)
© FUOC • PID_00156943 47 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
deficiencia se ha asociado a alteraciones en el metabolismo que pueden causar
daño en el ADN. La ingesta adecuada de estos micronutrientes depende de la
edad, la constitución genética y el estado fisiológico, aunque por desgracia un
elevado porcentaje de la población no llega a ingerir la dosis diaria recomendada
de alguno o varios de esos micronutrientes. La deficiencia en algunos
micronutrientes, como ácido fólico, vitaminas B12, B6, C y E, niacina, hierro
y zinc, puede originar roturas de doble cadena en el ADN, lesiones oxidativas,
o ambas (Marti y otros, 2005).
Además de los micronutrientes esenciales, hay una variedad de nutrientes
no esenciales y componentes bioactivos que parecen influenciar significativamente
en la salud al modificar un número de procesos celulares asociados con
salud y prevención de enfermedades, incluyendo metabolismo de carcinógenos,
el balance hormonal, el señalamiento celular, el control del ciclo celular,
la apoptosis, y la angiogénesis (tabla 7).
Tabla 7. Listado de nutrientes no esenciales y componentes bioactivos que pueden actuar a nivel
genético o epigenético
Componentes
bioactivos
Nutrientes no esenciales
Fitoquímicos Carotenoides, flavonoides, indoles, isotiocianatos, polifenoles, folato,
alildisulfuro, monoterpenos, isoflavonas, lignanos, saponinas.
El efecto demostrado generalmente de estas sustancias se ha estudiado
en cáncer, definiéndose como inhibidores del crecimiento
de tumores
Zooquímicos Ácido linoleico conjugado, ácidos grasos .-3, metionina con
efectos positivos sobre el metabolismo lip.dico y previniendo enfermedades
asociadas directamente a este metabolismo.
Fungoquímicos ß-glucanos, lentinanos, esquizofilanos y otros compuestos
polisacar.dicos de hongos. (Estos compuestos se han indicado
como responsables de retardar el crecimiento de tumores, y de
estimular la respuesta inmunológica, activando los macrófagos,
linfocitos T e interleuquinas)
Bacterioquímicos Equol, butirato y otros compuestos formados por la fermentación
específica de fibras dietéticas por la microbiota intestinal endógena
y exógena
Aguilera y Calleja (2009)
De especial importancia son el folato de las hojas verdes de los vegetales, el
selenio de los cereales y los frutos secos, el dialildisulfuro y otros organosulfurados
del ajo, el licopeno de los tomates, la genisteina y otras isoflavonoides de
los productos derivados de la soja, los polifenoles del té y los isotiacianatos y
el indol-3-carbinol de los vegetales crucíferos (Ross, 2007). De facto, el estudio
de Women's Healthy Eating y Living (WHEL, 2007), que incluye pacientes con
cáncer de mama incipiente, describió que una dieta alta en vegetales, fruta y
fibra, y baja en grasa reducía la probabilidad de metástasis y muerte durante los
siguientes siete años. Esto indica que la conexión entre dieta y cáncer existe,
aunque todavía hoy se desconocen los mecanismos moleculares exactos (Ross,
2007). Se estima que la nutrigenómica podrá aportar la información necesaria
© FUOC • PID_00156943 48 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
durante los próximos años. Es importante en este tipo de estudio considerar
también las diferencias genéticas en la cinética de la absorción, metabolismo
y distribución de los fitoquímicos (Ross, 2007).
4.2.5. ¿Qué componentes de la dieta tienen efectos adversos para
la salud?
El alarmante incremento de la prevalencia de enfermedades como la diabetes
mellitus tipo 2, la obesidad y las cardiopatías en las sociedades occidentalizadas,
con hábitos dietéticos bien definidos e inadecuados, reafirma la importancia
de los efectos adversos de algunos nutrientes sobre la actividad del genoma
humano. Así, no hay que olvidar que, de la misma manera que la alimentación
puede ayudarnos a prevenir diversas enfermedades, también puede
ser la causante de la aparición de las mismas (Martínez de Victoria, 2007).
Una ingesta no equilibrada de los tres principales macronutrientes –lípidos,
hidratos de carbono o proteínas– puede contribuir al inicio, desarrollo y progresión
de diversas enfermedades crónicas. Asimismo, la ingestión de componentes
generados principalmente durante la cocción o el procesamiento industrial
de los alimentos puede dañar el ADN y potenciar el desarrollo de enfermedades.
Manipulación de alimentos como fuente de carcinogénicos
Un ejemplo de cómo la manipulación de los alimentos puede ser una fuente de carcinógenos
lo encontramos en los compuestos N-nitrosos. Estos compuestos derivan de la
nitrosación de diversas moléculas precursoras y dan lugar a nitrosaminas y nitrosamidas.
Los primeros compuestos N-nitrosos con acción cancerígena que se describieron fueron
las nitrosaminas específicas del humo del tabaco. Hoy en día estos compuestos se utilizan
principalmente para conservar alimentos como carne y pescado curado, y para potenciar
el color rojo de la carne. En humanos se han asociado las nitrosaminas de los alimentos
con el cáncer de esófago y gastrointestinal. De hecho, en algunas regiones de China y
Japón se ha asociado el consumo de pescado conservado con el desarrollo de cáncer de
esófago y gástrico.
La cocción de los alimentos también puede dar lugar a un cúmulo de sustancias
tóxicas con potencial cancerígeno. Este sería el caso de los hidrocarburos
policíclicos aromáticos (Wilson y otros, 1998). Cocinar a la brasa o a la parrilla
carne, pescado u otro tipo de alimento de una forma directa sobre la llama
hace que la grasa de esos alimentos, al entrar en contacto con el fuego, forme
numerosos hidrocarburos policíclicos que se adherirán a la superficie de los
alimentos. De estos compuestos, el más abundante y carcinogénico es el benzopireno
(Wilson y otros, 1998). Este tipo de compuestos se ha asociado con el
desarrollo de cáncer de estómago y de colon, y se ha propuesto que aumentarían
el riesgo de cáncer de mama y de pulmón (Sadikovic y Rodenhiser, 2006).
Las toxinas de origen natural son moléculas muy tóxicas, siendo quizá los alcaloides
vegetales las moléculas más potentes que se conocen desde el punto
de vista genotóxico (Henry y otros, 2002). Un ejemplo de mutágenos de origen
natural presentes en los alimentos serían determinadas toxinas, ya que son capaces
de producir mutaciones en el material genético en cantidades realmente
© FUOC • PID_00156943 49 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
ínfimas. La aflatoxinas B1, producidas por el hongo Aspergillus flavus en granos
que se han almacenado en condiciones de humedad, es un potente carcinógeno
del hígado (Henry y otros, 2002; Peng y Chen, 2009; Sudakin, 2003).
En determinados países africanos y asiáticos, se pueden encontrar cantidades
considerables de esta aflatoxina en los alimentos almacenados, lo que explicaría
en parte la elevada incidencia de cáncer en esos países (figura 27).
Figura 27
Las aflatoxinas, producidas por el hongo Aspergillus flavus en granos que se han almacenado en condiciones de humedad,
pueden favorecer el desarrollo de cáncer. Una de las formas de evitar la patogénesis es el cribado de los granos deteriorados.
Fuente: Kensler y otros (2003)
4.2.6. ¿Cómo, dónde y cuándo ejercen estos efectos los
nutrientes? ¿Cuáles son los mecanismos celulares que
activan los componentes de la dieta para modificar la
actividad del genoma humano?
El genoma humano es sensible al entorno nutricional, de modo que la expresión
de algunos genes puede modificarse en respuesta a los componentes de
la dieta o sus metabolitos, ya sean de origen vegetal o animal o microbiológico
(figura 28), (Marti y otros, 2005). Además, los componentes de los alimentos
pueden modificar varios procesos celulares simultáneamente. No obstante,
existen 2 grandes grupos conceptuales de modificaciones:
1) mediadas por las interacciones directas nutriente-gen,
2) mediadas por las interacciones epigenéticas (García-Vallejo, 2004).
© FUOC • PID_00156943 50 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 28
La expresión de los genes puede modificarse en respuesta a los componentes de la dieta o sus metabolitos.
Fuente: Marti y otros (2005)
Dentro de las interacciones entre nutriente y gen, debe especificarse que los
nutrientes pueden o bien ser ligandos para la activación de factores de transcripción,
o bien ser metabolizados por rutas metabólicas primarias o secundarias,
alterando de ese modo las concentraciones de substratos o intermediarios,
o influir positiva o negativamente sobre las rutas de señalización (tabla 8). Los
factores de transcripción son proteínas que en respuesta a estímulos externos
pueden activar o inhibir la transcripción de determinados genes de forma aguda
(Kaput y Rodriguez, 2004). Así, por ejemplo, los ácidos grasos pueden ser
ligandos para receptores nucleares de los factores de transcripción del complejo
proliferador de peroxisomas (PPARa,.PPARß,.PPAR.), (Kaput y Rodriguez,
2004). Es decir, estos receptores nucleares actúan como sensores para cierto
tipo de ácidos grasos, especialmente los de cadena larga como los ácidos grasos
palmítico (16:0), oleico (18:1 n6), y araquidónico (20:4 n6) y los eicoesanoides,
15-desoxi-. prostaglandina J2 y acido 8 (S)hidroxieicosatraenoico (Jump,
2002) y modificar la transcripción de determinados genes de forma aguda.
Tabla 8. Efectos de los componentes de la dieta en la expresión genética
Vit.A.y.lípidos Actúan como ligandos para receptores de factores de
transcripción.
Ácido.trans-retinoico.alfa Regulan la expresión de mARN.
Beta.oxidación.de.ácidos.grasos Alteran las concentraciones de sustratos o intermediarios,
al ser metabolizados por vías primarias o secundarias.
Fuente: Modificado de Xacur-Garcia y otros (2008)
© FUOC • PID_00156943 51 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Componentes.del.té.verde Afectan vías de señalización positiva o negativamente.
Glucosa-6-P-deshidorgenasa Regulan de la actividad enzimática al modificar la concentración
de la coenzima.
Vitamina.B12,.B6.y.folato Regulan mecanismos epigenéticos, silenciando fragmentos
del ADN, principalmente mediante metilación de la citosina.
Fuente: Modificado de Xacur-Garcia y otros (2008)
Otros componentes de la dieta, tales como la genisteína, vitamina A o la hiperforina,
se unen también a receptores nucleares y alteran la expresión genética
de genes asociados con el metabolismo lipídico (Bastien y Rochette-Egly,
2004).
Dentro de las interacciones entre nutriente y gen, los nutrientes también pueden
ser metabolizados por rutas metabólicas primarias o secundarias, alterando
de ese modo la expresión genética. El nivel de hormonas esteroideas, que
derivan en último término del colesterol, es regulado por unos 10 pasos intermedios
de la ruta biosintética de esteroides. Las rutas catabólicas influyen
también en las concentraciones intracelulares de intermediarios y productos
finales. La concentración de cualquier ligando dependerá de combinaciones
específicas de alelos en genes que codifiquen proteínas de las rutas enzimáticas
(Marti y otros, 2005).
Por último, los nutrientes pueden influir positiva o negativamente sobre las
rutas de señalización. El té verde contiene polifenoles, como el 11-epigalocatequin-
3-galato (EGCG), el cual inhibe la fosforilación de la tirosina del receptor
Her-2/neu y del receptor del factor de crecimiento epidérmico (EGF), por lo
que se inhibe la vía de señalización del fosfatidilinositol 3-kinasa (PI-3) a Akt
kinasa a partir de la ruta NF-kB (Dong, 2000). La activación de la ruta NF-kB
está asociada con algunas formas de cáncer de mama (Pianetti y otros, 2002).
© FUOC • PID_00156943 52 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 29. Imagen creada a partir de Ingenuity Systems Software (Ingenuity Systems, Inc,
Redwood City, CA)
Los ácidos grasos de la dieta pueden ser ligandos de los receptores de PPAR de la membrana nuclear, y afectar
consecuentemente la transcripción de muchos genes, especialmente los relacionados conel metabolismo de los lípidos
La fosforilación del receptor para el factor de crecimiento derivado de plaquetas
(PDFG), asociado con atereosclerosis, está también inhibida por EGCG y
sus derivados (figura 30). Algunos cereales como el arroz contienen inositol
hexafosfato, capaz de inhibir la transformación celular inducida por el factor
de crecimiento celular por sus acciones sobre la PI-3 quinasa (Dong, 2000).
Figura 30
El 11-epigalocatequin-3-galato (EGCG) del té verde, por ejemplo, inhibe fosforilación del receptor para el factor de
crecimiento derivado de plaquetas (PDFG), por lo que se inhibe la vía de señalización del fosfatidilinositol 3-kinasa (PI-3) a
partir de la ruta Akt kinasa en la célula, y por lo tanto, inhibe la incidencia de ateroesclerosis.
© FUOC • PID_00156943 53 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Fuente: Dong (2000).
Los componentes de los alimentos también pueden modificar la actividad
del genoma humano mediante las interacciones epigenéticas (García-Vallejo,
2004). La epigenética es la disciplina que estudia las modificaciones de la decoración
de las histonas (acetilación, metilación y fosforilación) y las modificaciones
químicas del ADN, que se producen a lo largo de la vida y que se copian
de una generación a otra sin que haya modificación de la secuencia primaria
de bases (Qiu, 2006). Además de factores intrínsecos (metiltransferasas) otros
factores ambientales y nutricionales inciden en la regulación epigenética. Las
enzimas responsables de la metilación del ADN son las ADN metiltransferasas,
las cuales utilizan la S-adenosilmetionina como molécula donadora del grupo
metilo. En la vía de la síntesis de la S-adenosilmetionina existen diversos puntos
que pueden ser regulados por algunos compuestos de la alimentación, y
que actúan principalmente a nivel de folato. Así, algunos compuestos de la
dieta, como el folato, la colina, la vitamina B6 y la vitamina B12, pueden influir
en la disponibilidad de grupos metilo para la formación de S-adenosilmetionina,
imprescindible para la metilación del ADN y el funcionamiento celular
(Niculescu y Zeisel, 2002; Ross, 2003). Por tanto, estos mismos compuestos
de la dieta también pueden estar afectando a la metilación del ADN disminuyendo
la cantidad de grupos metilo; mientras otros compuestos de la dieta
pueden modificar el uso de grupos metilo en diversos procesos alterando la
actividad de la ADN metiltransferasa (Calvanese y otros, 2009; Grolleau-Julius
y otros, 2009; Xacur-Garcia y otros, 2008). La modificación en la disponibilidad
de grupos metilo a través de la alimentación puede determinar cambios
en la metilación de genes, la modificación de su expresión y transformaciones
en el fenotipo (figura 31), especialmente durante el desarrollo fetal y ciertos
periodos críticos del desarrollo (Weaver y otros, 2005).
© FUOC • PID_00156943 54 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 31
Los cambios epigenéticos se basan en modificaciones de la decoración de las histonas
(acetilación, metilación y fosfoliración) y las modificaciones químicas del ADN.
Fuente: Qiu (2006)
Un clásico ejemplo de impacto de la dieta en la metilación del ADN es el cáncer.
La deficiencia de metil en la dieta en modelos de ratas ha demostrado alterar
los patrones de metilación de ADN en el hígado y inducir hepatocarcionogenesis
(Poirier, 1994). Los componentes alimentarios tienen la capacidad
de influenciar la metilación del ADN al menos de 4 maneras diferentes (Ross,
2003):
1) En primer lugar, los componentes dietarios son importantes para proveer
y regular los grupos de metil disponibles para la formación de la S-adenosylmethionine
(SAM), el donador universal de metilos.
2) En segundo lugar, los componentes dietarios pueden modificar la utilización
de grupos metilos cambiando la actividad de la ADN metiltransferasa.
3) Un tercer mecanismo está relacionado con la actividad demitiladora del
ADN.
4) Finalmente, la metilación del ADN puede influenciar la respuesta a los nutrientes
regulando (silenciando o activando) que influencia la absorción, el
metabolismo y los sitios de adición para el componente bioactivo del alimento.
© FUOC • PID_00156943 55 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
La metilación de las histonas puede tener similar efecto en los componentes de
la alimentación. Recientemente (Davis y Ross, 2007) han descrito cómo compuestos
en la alimentación como el butirato (formado en el colon durante la
fermentación bacteriana de las fibras), dialil bisulfato (presente en ajo y otros
vegetales Allium) y sulforafane (presente en los vegetales crucíferos) tienen la
habilidad de inhibir el tipo I y II del enzima HDAC (histone deacetylase ) y de
ayudar en la prevención del cáncer.
La inhibición de la actividad de la HDAC mediante estos componentes se asocia
con efectos protectores frente al cáncer porque inhiben la proliferación celular
y estimulan la apoptosis similar a otros inhibidores de la HDAC. Asimismo,
(Myzak y otros, 2006a; Myzak y otros, 2006b) se ha identificado la habilidad
de la sulforafane (SFN) para inhibir la HDAC en la células cancerígenas
del colon y las células epiteliales de la próstata. La inhibición de la HDAC está
asociada con incrementos de la acetilación de las histonas, incremento de
las interacciones de la acetilación de histonas con el promotor de las regiones
de los genes P21 y BAX, y elevación de la expresión de las proteínas p21Cip1/
Waf1 y BAX. En sujetos sanos, una simple dosis de 68 g BroccoSprouts inhibe
la actividad de la HDAC en las células mononuclears de la sangre periférica
PBMC (peripheral blood mononuclear cells) 3 y 6 h después del consumo. Además,
existe una fuerte inducción de la acetilación de las histonas H3 y H4 asociadas
con la inhibición de HDAC a las 3 y 6 h. Así, estos resultados demuestran
que uno de los mecanismos para la cual los SFN pueden prevenir el cancer
in vivo es a partir de la inhibición de la actividad de la HDAC (Myzak y otros,
2006a; Myzak y otros, 2006b).
Componentes como aditivos, pesticidas y tóxicos también pueden ser capaces
de producir alteraciones en la metilación del ADN (Xacur-Garcia y otros,
2008). Por ejemplo, un antifúngico frecuentemente empleado en la viticultura,
la vinclozolina, posee acciones antiandrogénicas y, comportándose como
un disruptor endocrino, potencialmente puede generar patrones anómalos de
metilación del ADN e inducir alteraciones en la fertilidad y cáncer en humanos.
Finalmente, existe la posibilidad de la implicación de los compuestos de
la dieta en la demetilación del ADN; y el propio patrón de metilación del ADN
puede influir en la interacción de los compuestos de la dieta con sus dianas
moleculares.
4.3. Nutrigenética
4.3.1. Introducción
La nutrigenética es la disciplina que estudia los efectos de las variaciones genéticas
individuales (polimorfismos específicos) en la respuesta a los nutrientes
(Mitroi y Mota, 2008; Svacina, 2007). La constitución genética determina
la respuesta a la ingesta de determinados nutrientes. Así, la nutrigenética pretende
contestar ¿por qué algunas personas que consumen muchas grasas no
© FUOC • PID_00156943 56 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
padecen enfermedad cardiovascular? o ¿por qué hay personas que no consumen
muchas grasas pero tienen niveles altos de colesterol? La respuesta a estos
interrogantes está asociada al perfil y cantidad de enzimas y proteínas que
intervienen en el metabolismo lipídico, y que se encuentran determinadas genéticamente
en cada individuo (figura 32), (Kaput y Rodriguez, 2004).
La nutrigenética busca biomarcadores tempranos (polimorfismos en los genes)
que se asocian a cambios en la homeostasis del organismo con implicaciones
para la salud (Donofrio y otros, 2005; Puskas y otros, 2006). Así, la nutrigenética
ofrece la posibilidad de desplazarse desde las tradicionales recomendaciones
dietéticas universales a la denominada nutrición personalizada, de acuerdo
con la constitución genética de los consumidores, teniendo en cuenta el
conocimiento de las variantes genéticas que afectan al metabolismo de los nutrientes
y a las dianas de los nutrientes, adaptando las recomendaciones nutricionales
generales para prevenir, mitigar, o curar las enfermedades crónicas.
Los requerimientos nutricionales de los individuos no dependen sólo de los
parámetros de variabilidad considerados clásicamente, como la edad, el sexo,
la etapa del desarrollo, sino que también son modificados por la variabilidad
genética en la medida en que ésta supone diferencias en el funcionamiento
del metabolismo.
Figura 32
A partir de la fotografía fácilmente puede entenderse que la constitución genética de
cada individuo no sólo determina el fenotipo sino también la respuesta metabólica a
la ingesta de determinados nutrientes.
La adaptación de las recomendaciones nutricionales a la variabilidad genética
de los individuos exige conocer bien la relación entre variantes génicas y
requerimientos nutricionales, con diversos factores implicados. Por ejemplo,
una de las estrategias para la prevención y el tratamiento de la enfermedad
cardiovascular ateroseclerótica consiste en la reducción de la ingesta de grasas,
saturadas y colesterol. No obstante, ciertos individuos poseen una susceptibilidad
diferente que determina que las dietas pobres en grasas y ricas en hidratos
de carbono generen un perfil más aterogénico. La identificación de los genes,
© FUOC • PID_00156943 57 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
y las variantes polimórficas correspondientes, responsables de esta susceptibilidad,
puede ayudar a realizar recomendaciones nutricionales personalizadas
y no tratar a todos los individuos de igual manera.
Desde la primera mitad del siglo XX se conocen enfermedades monogénicas
(polimorfismo en un único gen) como la fenilcetonuria (Cuthbert y otros,
2008; Novelli y Reichardt, 2000; Schulpis y otros, 2007) y la galactosemia
(Bernegger y Blau, 2002; Hyanek y otros, 2004; Oesterheld y Keppen, 1999).
Tanto la fenilcetonuria como la galactosemia pueden ser detectadas por screening
poco después del nacimiento y pueden ser manejadas con suplementos
dietéticos ricos en tirosina y bajos en fenilalanina o dietas libres de galactosa
para fenilcetonuria tipo 1 y la galactosemia, respectivamente (Pisabarro, 2006).
Más reciente se ha descubierto el gene de la 5-10-metilentetrahidrofolatoreductasa10
relacionado con riesgo de enfermedades cardiovasculares y trombóticas
y modulado por la ingesta de folato (Pisabarro, 2006). Sin embargo, no
todos los genes que afectan a variables con relevancia clínica están implicados
en la patogénesis de la enfermedad o son responsables del aspecto nutricional
beneficioso. Por ejemplo, los polimofismos de la apolipoproteina E parecen
modificar los efectos beneficiosos de la vitamina E sobre la enfermedad de
Alzheimer (Marti y otros, 2005).
Desde que se ha completado la secuencia del genoma humano (Venter, 2003),
el SNP Consortium está mapeando polimorfismos importantes en el genoma
humano asociados con las diferencias fenotípicas individuales entre la población
y con enfermedades crónicas del nuevo milenio y poligénicas (figura 33)
como cáncer, diabetes mellitus tipo 1 y 2, obesidad, infarto de miocardio, artritis
reumatoide, esclerosis múltiple, asma, fibrosis quística y enfermedad de
Huntington (Anton y otros, 2007; Kennedy y otros, 2008; Sheppard, 2002),
considerando que toda esta información contribuirá en la definición de dietas
óptimas y personalizadas (Mutch y otros, 2005).
Figura 33
Con la secuenciación completa del genoma humano, la SNP consortium busca mapear los polimorfismos relacionados con
enfermedades crónicas y poligénicas.
(10)MTHFR
© FUOC • PID_00156943 58 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
4.3.2. Objetivos
La nutrigenética pretende proporcionar un conocimiento molecular sobre la
repuesta genética particular del individuo a ciertos nutrientes. Secundariamente,
la nutrigenética busca personalizar la nutrición de acuerdo con la constitución
genética de los consumidores, teniendo en cuenta el conocimiento
de las variantes genéticas que afectan al metabolismo de los nutrientes y a las
dianas de los nutrientes (Marti y otros, 2005).
4.3.3. Descripción
La nutrigenética es la disciplina que estudia los efectos de las variaciones genéticas
individuales (polimorfismos específicos) en la respuesta del organismo
a los nutrientes (Mitroi y Mota, 2008; Svacina, 2007). Es decir, es la ciencia
que desarrolla el conocimiento científico que explica el impacto de las variaciones
genéticas individuales en los requerimientos óptimos de un determinado
nutriente para un determinado sujeto, frente a los principios tradicionales
en nutrición basados en recomendaciones de ingesta a nivel poblacional con
base epidemiológica y resumidos en conceptos como las Recommended Dietary
Allowances11 o nivel medio diario de consumo de un nutriente suficiente para
cubrir requerimientos del 97-98% de la población sana de una determinada
edad, sexo y etapa de la vida.
El código genético de individuos no emparentados coincide prácticamente en
un 99,9% (Spalvieri y Rotenberg, 2004). El resto de variación se explica mediante
los polimorfismos, es decir, lugares del ADN donde difieren las secuencias
en distintos individuos (Spalvieri y Rotenberg, 2004). El 90% de la diversidad
fenotípica humana proviene de las variaciones heredadas en una sola base
o SNP de adenina, citosina, timina o guanina (Taillon-Miller y otros, 1999).
Se presume que existen más de 10 millones de SNP en el genoma humano y
en el año 2001 fue publicado un mapa que identifica y localiza 1,42 millones
de ellos, de los cuales los más comunes aparecen en un 5 hasta un 50% de la
población. Los SNP, son parte de los mecanismos de adaptación al entorno en
la evolución humana y condicionan la diversidad poblacional, la individualidad,
la susceptibilidad a ciertas enfermedades y asimismo la idiosincrasia en
las respuestas a nutrientes. Los cambios que estos SNP pueden provocar están
relacionados con variaciones genéticas en receptores nucleares, elementos cisactivos
en promotores, o diferencias en el metabolismo que producen alteraciones
en las concentraciones de ligandos transcripcionales. Es decir, algunos
SNP comunes en la población determinan para los sujetos portadores requerimientos
especiales de nutrientes (Silveira y otros, 2007).
Algunos ejemplos
La 5, 10-metilentetrahidrofolatoreductasa (MTHFR) es una enzima implicada en el metabolismo
del ácido fólico cuya variante termolábil (homocigosis C677T, presente en el
5 hasta el 30% de la población) presenta una reducción de su actividad y se relaciona
con un incremento de las concentraciones de homocisteína en plasma (Silveira y otros,
2007) y un incremento del riesgo de enfermedad cardiovascular y tromboembólica (Pa-
(11)RDA
© FUOC • PID_00156943 59 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
lou, 2006). La ingesta de elevadas cantidades de folatos consigue una normalización de la
concentración de homocisteína en plasma, aunque su repercusión en términos de morbilidad
cardiovascular está por demostrar (Silveira y otros, 2007). Otro ejemplo de variación
genética determinante de una diferente necesidad de nutrientes es un SNP en el gen
del PPARA (PPARA Leu162Val) asociado con alteraciones en el colesterol total, colesterol-
LDL (low density lipoprotein) y apoproteína B que determina en portadores del alelo V162
una marcada reducción en la concentración de triglicéridos en respuesta a ácidos grasos
poliinsaturados (Whelan y otros, 2008).
La idea de que la variabilidad genética da lugar a una diferente susceptibilidad
a padecer enfermedades adquiere especial sentido en el caso de los síndromes
complejos, multigénicos o oligogenéticos12, con bases genéticas múltiples todavía
no completamente dilucidadas y en cuyo desarrollo desempeñan un papel
determinante las interacciones entre genes y factores ambientales. En relación
con esto último se ha descrio por ejemplo, que la presencia simultánea, en
un individuo obeso, de determinadas formas variantes de ciertos genes puede
predisponer al desarrollo de algunas de las complicaciones clínicas de la obesidad,
como la hipertensión y la resistencia a la insulina. Por ello, conociendo
el genotipo del paciente se plantea la posibilidad de aplicar programas nutricionales
y de actividades específicas que retrasen la aparición, no ya de la obesidad,
sino también de las complicaciones asociadas (Silveira y otros, 2007).
Determinados tipos de cáncer parecen tener un componente hereditario que
predispone al desarrollo de la enfermedad. Parte de esta susceptibilidad puede
deberse a algunos polimorfismos de genes implicados en el metabolismo de
los nutrientes, activación metabólica y/o detoxificación, lo que establecerá la
magnitud de la respuesta positiva o negativa a los componentes de la dieta.
Riesgo de padecer cáncer
Por ejemplo, se ha observado cómo en mujeres una dieta pobre en frutas, vegetales, ácido
ascórbico y alfa-tocoferol aumenta el riesgo de padecer cáncer de mama si éstas son
portadoras de un polimorfismo génico en la enzima superóxido dismutasa dependiente
del manganeso (Ambrosone y otros, 1999). En mujeres también serían importantes las
variantes polimórficas del gen de la glucatión peroxidada I. Esta enzima dependiente del
selenio se ha relacionado con el riesgo de cáncer de pulmón y de mama (Ambrosone y
otros, 1999).
Los ejemplos previamente descritos ilustran cómo ciertos SNP pueden determinar
una concreta recomendación al individuo en cuanto a su alimentación
pero también muestran la complejidad de las relaciones entre genes, nutrientes
y sus rutas metabólicas para mantener la homeostasis del individuo (tabla
9).
Tabla 9. Ejemplos de SNP que determinan una recomendación concreta al individuo en cuanto
a su alimentación
SNP Impacto.nutricional.potencial Nutriente
Metilentetrahidrofolato reductasa,
cistation beta sintasa, metionina
sintasa, glutamato carboxi-peptidasa
II
Riesgo alterado a defectos del tubo
neural. Síndrome de Down, enfermedad
cardiovascular y cáncer
Folato
Hemocromatosis hereditaria ligada
al gen HFE y al receptor de transferrina
Asociación con requerimiento de
hierro, anemia, sobrecarga del ion
(hemocromatosis)
Hierro
Fuente: García-Vallejo (2004)
(12)Enfermedades cardiovasculares,
obesidad, diabetes mellitus tipo II,
cáncer, y alteraciones en el metabolismo
de los lípidos, osteoporosis,
y enfermedades neurodegenerativas.
© FUOC • PID_00156943 60 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
SNP Impacto.nutricional.potencial Nutriente
Receptor de vitamina D, receptor
de estrógeno, colágeno tipo I
Asociación con el metabolismo del
hueso, osteoporosis y asociación
con el metabolismo del calcio y
translocación del fosfato
Vit D
Apolipoproteínas (AIV, B, C3, E),
receptor de lipoproteína lipasas de
baja densidad
Intervención menor en la dieta con
el fin de modificar los biomarcadores
cardiovasculares
Ácidos grasos poliinsaturados
HLA (MHC), factor de necrosis tisular
alfa y otras citocinas
Predisposición a respuestas inmunológicas
variables y susceptibilidad
a alergias alimetarias (como
enfermedad celíaca)
Ácidos grasos poliinsaturados
Fuente: García-Vallejo (2004)
© FUOC • PID_00156943 61 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
5. Investigación biomédica: nutrigenómica y
nutrigenética
5.1. Introducción
La historia natural de una enfermedad implica una perturbación de la homeostasis
celular hacia estadios avanzados, que se caracterizan por un incremento
progresivo en la dimensión e impacto de la alteración patológica (Corrales y
otros, 2006).
La nutrigenómica y la nutrigenética son disciplinas que han despertado enormes
expectativas en la investigación biomédica por su potencial en la identificación
de biomarcadores específicos (sean genes, proteínas o metabolitos) que
permitan diagnosticar, clasificar, pronosticar y predecir enfermedades de forma
individualizada, así como en la definición de nuevas dianas nutricionales
(Corrales y otros, 2006). Por tanto, uno de los objetivos de estas disciplinas es
conocer las verdaderas causas genéticas y moleculares por las que se producen
las enfermedades y adaptar la nutrición a ello (figura 34). Hasta ahora, ha sido
muy común que los médicos decidan la nutrición terapéutica y el proceder
clínico en función de los síntomas de una enfermedad. Se aprecian unos síntomas
y se asocian a un patrón y a un tratamiento nutricional. Cada vez más se
está viendo cómo distintos patrones de expresión de genes, distintos comportamientos
en el nivel genético producen subtipos dentro de una enfermedad.
Por tanto, cada vez más se está viendo la necesidad de hacer la nutrición más
segura y efectiva dependiendo de las características genéticas de los grupos
de individuos y de la genómica funcional resultante (Honore, 2001; Mathew,
2001).
No obstante, todavía estamos un poco lejos de que esto sea una realidad cotidiana
en los hospitales a pesar de los grandes progresos tecnológicos (Ordovas,
2009; Ordovas y Mooser, 2004). ¿Por qué? Primeramente, nos falta mucho por
conocer del genoma, no conocemos la función de todos los genes, ni todas
las variaciones entre unas personas y otras, ni por supuesto nos acercamos a
conocer la totalidad de las proteínas del cuerpo humano y los metabolitos.
Así, hay limitaciones conceptuales y experimentales que impiden considerar
en su totalidad (biología de sistemas) las complejas y dinámicas interacciones
entre la plétora de factores involucrados en la iniciación, el progreso y la manifestación
de la enfermedad en cada individuo (Ordovas, 2009).
© FUOC • PID_00156943 62 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 34
La nutrigenómica y la nutrigenética son herramientas poderosas y excitantes para revelar los mecanismos moleculares por
los cuales los componentes de la alimentación pueden afectar ciertas enfermedades y los motivos por los que se producen
diferentes respuestas individuales a un mismo nutriente.
Fuente: Ordovas (2009)
Además, la tecnología también tiene muchas limitaciones, la bioinformática
no ofrece soluciones perfectas a la hora de predecir la estructura de una proteína
o identificar genes en el genoma. Todavía no tenemos la tecnología para
genotipar o para conocer las mutaciones de una persona en poco tiempo, estamos
cerca pero todavía no es posible o cuesta demasiado dinero. Los microarrays,
que aun siendo la tecnología más relevante, también presentan algunos
problemas, son invasivos en el sentido de que requieren destruir el tejido que
se va a analizar. Parece más útil, desde este punto de vista, trabajar con las
proteínas que se pueden extraer por ejemplo del suero de la sangre. La reproducibilidad
de los trabajos con microarrays todavía está muy lejos de ser la deseada.
Es decir, un experimento hecho en un laboratorio se repite en otro y no
da los mismos resultados. Aparte, las enfermedades más prevalentes (enfermedades
cardiovasculares, el cáncer y las neurodegenerativas), así como la obesidad
y la diabetes mellitus tipo 2 son extremadamente complejas y además de
los factores genéticos, los no genéticos (englobados bajo la denominación de
factores ambientales) tienen un papel crucial en su etiología (Ordovas, 2009),
complicando el análisis y la obtención de resultados firmes y definitivos. Por
último, la dieta de una persona está compuesta por miles de micronutrientes y
macronutrientes, componentes esenciales y no esenciales, bioactivos, inhibidores,
o potenciadores, con diferente capacidad de absorción y metabolismo.
Ello conlleva una complejidad alarmante en los estudios de nutrigenómica y
nutrigenética. Además existen muchos problemas de tipo ético, legal, social,
económico, a parte de la seguridad, la calidad de las pruebas o la formación
de los profesionales.
No obstante, el valor intrínseco de la nutrigenómica y la nutrigenética es indiscutible,
pues son herramientas poderosas y excitantes para revelar los mecanismos
moleculares por los cuales los componentes de la alimentación pueden
afectar ciertas enfermedades y los motivos por los que se producen diferentes
respuestas individuales a un mismo nutriente, mecanismos hasta ahora
desconocidos. La nutrigenómica y la nutrigenética demuestran la posibilidad
de lo que, hasta fecha de hoy, en la mente de tantos científicos, era imposible
© FUOC • PID_00156943 63 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
e impensable. Estamos en la era de la revolución post-genómica. Esta lección
debe permanecer en nuestra memoria a la hora de confrontar las enormes
dificultades que representará la conversión del progreso actual en soluciones
prácticas para el futuro de la biomedicina (Ordovas, 2009).
5.2. Nutrigenómica y biomédica
5.2.1. Introducción
La nutrigenómica es la ciencia que se ocupa de estudiar los efectos de los nutrientes
en el genoma humano, directa o indirectamente, alterando la expresión
de los genes, proteínas y metabolitos, así como sus interacciones, estructura
y su relación con la etiología, inicio, progresión y severidad o prevención
de enfermedades (Mitroi y Mota, 2008; Svacina, 2007). La nutrigenómica, por
lo tanto, se centra en estudiar cómo los nutrientes regulan aspectos transcriptómicos,
proteómicos y metabolómicos del genoma humano (Mariman, 2006;
Marti y otros, 2005; Muller y Kersten, 2003; Mutch y otros, 2005; Van Ommen,
2004), y en facilitar herramientas para prevenir, diagnosticar y desarrollar nuevas
terapias nutricionales contra las enfermedades más comunes (Hocquette,
2005). Es decir, la nutrigenómica permite aproximarse mejor a la respuesta de
preguntas como las siguientes:
• ¿Qué componentes de la dieta tienen importantes efectos beneficiosos para
la salud?
• ¿Cómo, dónde y cuándo ejercen estos efectos?
• ¿Pueden algunos de estos mismos componentes tener también efectos adversos?
• ¿En qué cantidad, en qué forma y en qué combinaciones son más efectivos?
• ¿Qué necesidad tenemos de comer tales componentes para prevenir el desarrollo
de enfermedades como las cardiovasculares, cáncer, diabetes, y
obesidad, alcanzando un máximo de prevención con un riesgo mínimo?
La idea es que los alimentos de riesgo, como las grasas saturadas, podrían reemplazarse
con otros potencialmente menos nocivos, por ejemplo, comer salvado
de avena en lugar de rodajas de queso. No se necesitan millones de euros
para llegar a esta conclusión, pero la ciencia de la nutrición todavía ignora
cómo reacciona el organismo en el nivel molecular, qué componentes de la
alimentación pueden afectar ciertas enfermedades y cómo les afectan a nivel
molecular (Eide, 2001).
© FUOC • PID_00156943 64 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
La nutrigenómica puede revelar los mecanismos moleculares por los
cuales los componentes de la alimentación pueden afectar a ciertas enfermedades
y ayudar a su prevención o tratamiento.
5.2.2. Nutrigenómica y obesidad
La acumulación en exceso de depósitos de grasa en un organismo resulta de
un desequilibrio, sostenido en el tiempo, entre la ingesta y el gasto energético
(Palou y otros, 2000). Los avances en la investigación básica del sistema de regulación
del peso corporal y la adiposidad de los mamíferos permiten entrever
nuevas estrategias nutricionales potencialmente útiles para la prevención y/o
tratamiento de la obesidad humana, a la vez que descartar otras. En particular,
esta investigación puede orientar el desarrollo de alimentos funcionales para
el control de la obesidad. En principio, este tipo de alimentos deberían contribuir
a una menor ingesta y/o a un mayor gasto energético, los dos componentes
de la ecuación del balance energético, sin alterar negativamente otras
funciones del organismo.
Una estrategia que se ha venido considerando es la sustitución de ciertos macronutrientes
de la dieta, como por ejemplo el azúcar, por sustancias de mucho
mayor poder edulcorante, o las grasas por otras de menor densidad energética,
o por sustitutos como poliésteres de sacarosa que tienen las propiedades
organolépticas de la grasa pero no son digeribles (Palou y otros, 2004). Otra
estrategia consiste en enriquecer los alimentos con ácidos grasos poliinsaturados,
los isoprenoides, proteínas y minerales (tabla 10).
Algunos estudios epidemiológicos recientes
Estudios epidemiológicos recientes demuestran que el consumo de PUFA13 tiene efectos
beneficiosos sobre varios procesos fisiológicos, incluyendo el crecimiento, el desarrollo
neuronal, la reproducción, la inmunidad innata y adquirida, las infecciones patológicas
de virus, bacterias y parásitos, y la incidencia y severidad de enfermedades crónicas y
degenerativas, incluyendo el cáncer, la ateroesclerosis, el reuma, la artritis, la diabetes,
la osteoporosis, la neurodegerativitis, las inflamaciones y las enfermedades de la piel y
la obesidad (Browning, 2003; Delarue y otros, 2004; Micallef y otros, 2009; Robinson y
otros, 2007). Las interacciones entre genes y nutrientes como PUFA parecen muy importantes
en el desarrollo de la obesidad (Marti y otros, 2005). Concretamente, la cantidad
de roles de los PUFA asociados con aspectos de la salud pueden explicarse por su habilidad
para servir o ser procesados como ligandos para un numero críticamente importante
de factores de transcripción, incluyendo el PPAR14, hepatic nuclear factor-4 (HNF-4
alfa),SREBP15, liver-X-receptor, y factores nucleares (Jump, 2002). Todos los ácidos grasos
de 3 y 6 carbonos activan los PPAR, en especial al PPAR-alfa. Los receptores PPAR16 son
factores de transcripción activados por ligandos, que modulan fundamentalmente la homeostasis
del metabolismo lipídico y glucídico a través de efectos genéticos, a parte de
la adipogénesis; homeostasis de la glucosa; biología vascular y aterosclerosis; efectos antiinflamatorios;
inmunomoduladores y cáncer (Pisabarro, 2006).
Otro estudio reciente ilustra el potencial del perfil de expresión génica para estudiar los
efectos dietarios con alto contenido de proteína o carbohidratos en el almuerzo de individuos
sanos. Utilizando leucocitos para la obtención de mARN, los investigadores encontraron
que en unas pocas horas del almuerzo, los individuos alimentados con carbohidratos
presentaban una expresión diferencial en los genes del glucógeno, mientras
los alimentados con alto contenido de proteína presentaban modificaciones en la expresión
de los genes involucrados en las vías de síntesis proteica (Van Erk y otros, 2006).
© FUOC • PID_00156943 65 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
(13)Ácidos grasos poliinsaturados
(14)Peroxisome prolieferator activated receptors
(15)Sterol regulatory expressed ibnding proteins
(16)Peroxisome proliferator-activated
Estudios de este estilo que asocien los mecanismos moleculares con la dieta y
la obesidad con desarrollo y progresión de cáncer son el futuro.
Tabla 10. Efectos de los nutrientes en el control del metabolismo lipídico
Ácidos.grasos Los PUFA pueden activar el catabolismo hepático de ácidos grasos,
inhibir la lipogénesis hepática y activar la expresión de proteínas
desacoplantes, siendo de especial interés los isómeros de
CLA. También se han descrito efectos de alimentos ricos en ácidos
grasos de cadena media (laúrico) activando la termogénesis.
Isoprenoides En particular los relacionados con la vitamina A activan la expresión
de proteínas desacoplantes y favorecen la movilización de
las reservas grasas en modelos animales.
Carbohidratos La ratio glucosa/fructosa y el índice glicémico de los alimentos
pueden ser factores con impacto sobre el sistema insulínico y de
regulación del peso corporal.
Minerales A destacar diferentes estudios que sugieren un efecto anti-obesidad
del calcio dietético.
Proteínas.y.aminoácidos Se han descrito efectos específicos del triptófano y los aminoácidos
aromáticos, y la posible importancia reguladora de los aminoácidos
ramificados, y de la arginina e histidina, en el control
del peso corporal, así como efectos saciantes de determinados
péptidos de bajo peso molecular.
Sin embargo, no está claro que estas estrategias sean eficaces a largo plazo, ya
que el organismo desarrolla mecanismos compensadores frente a la ingesta
repetida de este tipo de alimentos funcionales (Palou, 2006). De hecho, la capacidad
de compensación homeostática del sistema de control del peso corporal
frente a posibles ingerencias es un factor clave a tener en cuenta, y que
conduce a pensar en la necesidad de desarrollar alimentos funcionales capaces
de afectar diversas funciones del sistema, simultáneamente, para asegurar su
eficacia antiobesidad en personas susceptibles. Los efectos pueden depender
considerablemente de la matriz del alimento, de la biodisponibilidad, de las
interacciones, del procesado, etc. en que se dispongan los nutrientes de interés
y, de hecho, actualmente no es posible predecir la acción de estos nutrientes
de modo suficientemente preciso para el desarrollo de alimentos funcionales
(Palou, 2006). Por otro lado, al tratarse de componentes habituales de
los alimentos tradicionalmente consumidos por nuestra especie se complica
la respuesta a la pregunta de si pueden tener también efectos adversos, ya que
entran en juego condicionantes económicos y relacionados con la propiedad
de los conocimientos (Palou, 2006). En cualquier caso, la búsqueda de formulaciones
específicas y combinaciones que sean más efectivas debe ser motivo
de un creciente interés por parte de las industrias europeas y, definitivamente,
la nutrigenómica abre nuevas expectativas de desarrollo de alimentos funcio©
FUOC • PID_00156943 66 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
nales para el control de la obesidad basados en el conocimiento de la bioactividad
específica de determinados nutrientes en relación con el sistema de
control del peso corporal y sus mecanismos de acción (Palou, 2006).
5.2.3. Nutrigenómica e insuficiencia cardíaca
La insuficiencia cardiaca es un síndrome complejo, cuya historia natural conduce
a la disfunción ventricular izquierda, tanto diastólica como sistólica, y
es una de las principales causas de morbilidad y mortalidad en Occidente en
general y en España en particular (Rodriguez-Artalejo y otros, 1997). Debido al
envejecimiento de la población y la mayor longevidad de los enfermos cardiovasculares,
la incidencia y la prevalencia de la insuficiencia cardiaca han aumentado
considerablemente, por lo que se estima que en los próximos 20 años
adquirirá proporciones de epidemia (Anguita y otros, 2008). Por otra parte,
debido a los elevados costes médicos y sanitarios que conlleva, la insuficiencia
cardiaca actualmente es el cuadro cardiovascular más costoso en España
(Anguita y otros, 2008). A pesar del enorme esfuerzo realizado en los últimos
50 años en la comprensión de la fisiopatología y la farmacología de la insuficiencia
cardiaca, diversos estudios recientemente publicados demuestran que
todavía existen importantes limitaciones en la prevención y el tratamiento de
la insuficiencia cardiaca que explican su mal pronóstico, por lo que se impone
un nuevo enfoque conceptual y práctico de ésta mediante el uso de la genómica
funcional (Anguita y otros, 2008).
Aunque todavía no se conocen con precisión las causas moleculares de la disfunción
cardiaca en las enfermedades del corazón que evolucionan a insuficiencia
cardiaca, se cree que son el resultado de alteraciones en la expresión
de genes, proteínas, metabolitos y sus respectivas interacciones (Liew y Dzau,
2004). Por ello, se ha propuesto que la combinación de las tecnologías ome,
principalmente la transcriptómica y la proteómica, puede facilitar la comprensión
del origen y el desarrollo de las distintas entidades que configuran el síndrome
de la insuficiencia cardiaca, con lo que se propiciaría el establecimiento
de perfiles diagnósticos y patrones terapéuticos y de nutrición diferenciales
que pueden mejorar el mal pronóstico que la insuficiencia cardiaca conlleva
(Butter y otros, 2008; Camargo y Azuaje, 2007; Cappuzzello y otros, 2009;
Cardin y otros, 2008; Chen y Brozovich, 2008; Kawase y otros, 2008; Lopes
Fda y otros, 2008; Mullens y otros, 2008; Nakayama y otros, 2008; Su y otros,
2009; Vanderheyden y otros, 2008; Zhu y otros, 2009).
© FUOC • PID_00156943 67 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 35. Escenario de las enfermedades cardiovasculares asociado a la genómica funcional
1: transcripción; 2: traducción; 3: modificaciones post-transcripcionales; 4: interacciones; 5: integración.
Fuente: González y otros (2009)
5.2.4. Nutrigenómica y cáncer
Una neoplasia es un desorden multifactorial en el que se produce una agregación
sucesiva de defectos en el ADN, resultando en un crecimiento celular
caracterizado por una proliferación excesiva de las células, alterada e incontrolada,
que no guarda relación alguna con las demandas fisiológicas del órgano
implicado, dando como resultado una masa anormal procedente de los
tejidos originales (Go y otros, 2003; Key y otros, 2004; Mathers, 2003; Uauy
y Solomons, 2005).
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Figura 36. Esquema del progreso de una neoplasia: iniciación, promoción, y progresión
Fuente: Kelloff y Sigman (2007)
Actualmente, el cáncer es una de las principales causas de muerte en los países
desarrollados donde además su incidencia es creciente según la World Cancer
Resarch (2003). La dieta se considera uno de los principales factores ambientales
que contribuyen a la aparición de esta enfermedad junto con factores
metabólicos y genéticos (Donaldson, 2004; Wiseman, 2008). Se estima que
aproximadamente un tercio de todos los cánceres son originados por una dieta
inadecuada (figura 37) y éstos podrían reducirse mediante acciones individuales
y sociales. Concretamente, se ha relacionado el consumo de lípidos de
la dieta con un mayor riesgo de padecer ciertos tipos de cáncer como mama,
colon y recto, próstata y ovarios (Whelan y McEntee, 2004), aunque ciertos
estudios sugieren que no es la cantidad sino el perfil de la grasa lo realmente
importante en el desarrollo de esta enfermedad (Escrich y otros, 2007; Escrich
y otros, 2006).
Beneficios de los ácidos grasos poliinsaturados
Los ácidos grasos poliinsaturados son beneficiosos y pueden prevenir el cáncer por su
actividad antioxidante, la prevención del daño del ADN, la reparación ADN, la supresión
de la expresión de oncogenes, la estimulación de factores de crecimiento, la regulación
sistema inmune y regulación de niveles de algunas hormonas (Wiseman, 2008). Así, la
absorción de ciertos ácidos grasos insaturados del aceite de oliva ofrecen la protección
frente a diferentes patologías como el cáncer de mama, o piel, mientras que aquellos
compuestos que no se absorben, llegando a las partes distales del intestino, pueden impedir
la aparición de cáncer colorrectal (Owen y otros, 2004). Por otra parte, investigaciones
realizadas por (Escrich y otros, 2007; Escrich y otros, 2006), han descrito que el
ácido oléico (18: 1 omega-9) es capaz de inhibir la expresión del oncogen Her-2/neu, característico
de los tumores mamarios, actuando de forma sinérgica con la inmunoterapia
utilizada para activar la apoptosis de las células cancerosas, aportando un mecanismo
© FUOC • PID_00156943 69 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
molecular novedoso por el cual los ácidos grasos pueden controlar el comportamiento
maligno del cáncer de mama y contribuir a su tratamiento.
Figura 37
Entre el 30-40% de los cánceres pueden evitarse a través de una alimentación y actividad física adecuada.
Fuente: Donaldson (2004); Wiseman (2008)
Existe una gran variedad de experimentos animales in vitro que demuestran
la capacidad de suprimir el desarrollo de la mayoría de los cánceres por parte
de los ácidos grasos poliinsaturados omega-317, como son el cáncer de mama,
colon, próstata, hígado y páncreas (Bosetti y otros, 2001; Mommers y otros,
2006; Roynette y otros, 2004; Schouten y otros, 2003; Zhang y otros, 2002).
La mayoría de estos estudios han utilizado los microarrays de expresión génica
para conseguir información, tanto cualitativa (genes activados y genes silenciados)
como cuantitativa (nivel de expresión de diferentes genes), en las
diferentes situaciones nutricionales, contribuyendo no sólo a un mejor conocimiento
de la fisiopatología de la enfermedad, sino también al desarrollo de
terapias nutricionales más adecuadas, como sería el uso de ácidos poliinsaturados
omega-3 o omega-9 para el tratamiento sinérgico de algunos cánceres
(Bild y otros, 2006; Roynette y otros, 2004). Contrariamente, los ácidos grasos
poliinsaturados omega-6 generan una sobreproducción de eicosanoides derivados
del ácido araquidónico, aumentan el proceso inflamatorio, estimulan la
angiogénesis, reducen la apoptosis, aumentan la proliferación y la aumentan
adhesión de moléculas tumorales al endotelio, conduciendo a la generación
del cáncer y a su metástasis (Augustsson y otros, 2003). Así, los ácidos grasos
poliinsaturados omega-6 promueven la carcinogénesis debido a la sobreexpresión
la lipooxigenasa18, ciclooxigenasa 219, y la fosfolipasa A2 (figura 38).
Así, hay que destacar la importancia de una ingesta de ácidos grasos en proporciones
adecuadas, para que haya protección frente al desarrollo del cáncer.
Se necesita una ingesta de ácidos grasos poliinsaturados omega-3 y omega-6 en
una proporción n-3: n-6 de 1: 1 ó 1: 2 (Simopoulos, 2001). De un modo u otro,
todos los expertos están de acuerdo en la necesidad de rebajar la ratio omega-
6/omega-3, incluso hay autores que indican que, además de disminuirlo, es
necesario aumentar el cociente omega-9/(omega-3 + omega-6) para reducir la
incidencia de enfermedades tan importantes como el cáncer.
(17)Ácido eicosapentaenoico (EPA,
20: 5n-3) y ácido docosahexaenoico
(DHA, 22: 6n-3)
(18)LPO
(19)COX-2
También se ha demostrado la capacidad anticancerosa del ácido linoleico conjugado20,
tanto en modelos de carcinogénesis en roedores como en líneas tumorales
humanas, demostrando que inhibe la iniciación o promoción tumo-
(20)CLA
© FUOC • PID_00156943 70 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
ral además de la posible influencia en la progresión del cáncer (Belury, 2002).
Dicho efecto inhibidor de la promoción y progresión de la carcinogénesis se
debe a una serie de mecanismos moleculares como:
1) Supresión de la biosíntesis de eicosanoides derivados del ácido araquidónico21,
aspecto que influye en la alteración de la respuesta inmune a las células
cancerosas y en la modulación de la inflamación, proliferación celular apoptosis,
metástasis, y angiogénesis.
2) Influencia en la actividad de factores de transcripción, expresión génica, y
transducción de señales, lo que conlleva a cambios en el metabolismo, crecimiento
y diferenciación celular.
3) Alteración del metabolismo de estrógenos, lo que conlleva a una reducción
del crecimiento celular estimulada por estrógenos.
4) Aumento o disminución de la producción de radicales libres y especies reactivas
del oxígeno.
5) Implicación en mecanismos relacionados con la sensibilidad a la insulina y
la fluidez de la membrana (Augustsson y otros, 2003).
Figura 38. Resumen de la interacción entre los ácidos grasos poliinsaturados omega-3 y los
diferentes genes, la mayoría de ellos relacionados con la diferenciación, la proliferación celular y
angiogénesis y apoptosis celular
+: actividad o expresión incrementa con los omega-3; - la actividad o expresión disminuye con los omega-3. Resumidamente,
los mecanismos biológicos de los ácidos grasos poliinsaturados omega-3 en la carcinogénesis incluyen disminución de la
producción de COX-2, alteración de la respuesta de la proteína kinasa C al estímulo por hormonas y factores de crecimiento,
cambio en la expresión de genes a través de rutas mediadas por PPAR, disminución de la expresión del factor nuclear NF-kß e
inducción de la apoptosis celular.
Fuente: Roynette y otros (2004)
(21)AA, 20: 4n-6
© FUOC • PID_00156943 71 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 39. Pathways correspondientes a los ácidos grasos poliinsaturados omega-3 y omega-6 y
sus efectos en la promoción o inhibición de los tumores
Fuente: Roynette y otros (2004)
Aparte de la gran variedad de experimentos animales in vitro que demuestran
la capacidad de los PUFA, especialmente los omega-3, para suprimir el desarrollo
de la mayoría de los cánceres (Seeram, 2008) ha descrito los efectos beneficiosos
de los diferentes tipos de mora (especialmente las blackberries) para
la prevención y tratamiento de varios cánceres (figura 40). El cáncer de mama
es la patología más común entre todas las mujeres del mundo, constituyendo
el 10% de todos los cánceres. Se estima que anualmente surgen más de 1,1
millón de nuevos casos de esta enfermedad, lo que viene a representar aproximadamente
un 20% de todas las patologías en mujeres (Parkin y otros, 2001).
Las tasas de incidencia de la carcinogénesis mamaria son de aproximadamente
90-130 por 100.000 mujeres en los países desarrollados y de aproximadamente
de 10-60 por 100.000 mujeres en los países en desarrollo (Parkin y otros, 2001).
Figura 40
Seeram (2008) ha descrito los efectos beneficiosos de los diferentes tipos de mora
(especialmente las blackberries) para la prevención y tratamiento de varios cánceres.
© FUOC • PID_00156943 72 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
El potencial anticancerígeno de las moras está relacionado, en parte, con la
multitud de compuestos fitoquímicos bioactivos. Son ejemplo de ello los flavonoides,
los proantocianidinas, las elagitaninas, las galotaninas, y el ácido
fenólico, así como los estilbenoides, los lignanos y los triterpenoides. El estudio
demuestra que los efectos anticancerígenos resultan de la capacidad de
los componentes bioactivos para contraatacar, reducir o reparar el daño resultante
del estrés oxidativo y de la inflamación en las células. Además, los componentes
bioactivos de las moras pueden regular enzimas relacionadas con el
metabolismo del cáncer, así como varios factores de transcripción, citoquinas
de la inflamación, y pathways asociados con la señalización de la proliferación
celular, la apoptosis, y la angiogénesis del tumor. No obstante, más estudios
a nivel molecular y de mecanismos de acción a la célula cancerígena son necesarios
para entender la complejidad de los networks específicos del cáncer
y la influencia de la nutrición en ellos. La complementariedad con estudios
de proteómica y metabólica son también necesarios para entender la complejidad
del desarrollo de enfermedades. No desestimar que la mayoría de estos
experimentos utilizan ratas o ratones como modelos humanos, pero que necesita
ser validado en diferentes poblaciones y en condiciones ambientales diferentes.
Así, por ejemplo, puede extrapolarse que el efecto potencial de las
moras aumente con la interacción de otras sustancias naturales de la dieta.
5.3. Nutrigenética y biomédica
5.3.1. Introducción
Se han publicado cantidad de ejemplos que demuestran el potencial de la
nutrigenética para mejorar la prevención de las enfermedades (Marti y otros,
2005), aunque todavía falta encajar muchas piezas para tener una visión sensata
de nuestra salud mediante el ADN (Barnes, 2008; Miggiano y De Sanctis,
2006; Royall, 2008; Ryan-Harshman y otros, 2008). Actualmente, la empresa
Affymetrix (2009) distribuye un microarray de ADN (Affymetrix Genome-Wide
Human SNP Array 6.0) con 1.8 millones marcadores genéticos y aproximadamente
906.600 SNP en más de 946.000 probetas para la detección del número
de copias producidas, pero sólo unos pocos ofrecen información relevante sobre
enfermedades (Ordovas, 2009). Además los microarray cuentan con limitaciones:
sólo miden mutaciones individuales o SNPs y hay muchas más formas
en que un gen puede estar alterado y conducir a un mal funcionamiento.
Otro factor fundamental es entender que la mayoría de nuestras características
físicas o enfermedades habituales no son monogénicas sino de etiología oligogénica
o multigénica, en combinación con factores ambientales que habitualmente
tienen un impacto importante sobre el desarrollo de la enfermedad
(enfermedades cardiovasculares, obesidad, diabetes mellitus tipo 2, cáncer, y
alteraciones en el metabolismo de los lípidos, osteoporosis, y enfermedades
neurodegenerativas). Conocemos algunas variaciones genéticas asociadas al
infarto de miocardio, por ejemplo, pero seguro que existen muchas más no
descubiertas todavía. Lo que estamos haciendo ahora (medir sólo fragmentos
© FUOC • PID_00156943 73 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
donde tenemos localizados polimorfismos) es un paso intermedio. Dentro de
un tiempo tendremos el genoma entero descifrado, y comprobaremos la información
genética a medida que los científicos vayan descubriendo más y
más asociaciones a enfermedades y consiguiendo hablar de probabilidades de
riesgo (por ejemplo, 50% más de riesgo genético cardiovascular). Sin duda, será
el paradigma de la medicina personalizada, y consecuentemente el paradigma
de la nutrición personalizada (Martínez de Victoria, 2007). Se conocerán con
más detalle los riesgos de cada individuo a padecer enfermedades concretas,
qué nutrientes (nutrigenética) o que fármacos (farmagenética) serán óptimos
para cada individuo, y qué aspectos de la propia salud deberán controlarse
mejor. Sin duda hablamos de futuro, pero puede que no sea tan lejano. Secuenciar
el primer genoma humano costó 3 mil millones de dólares, los precios
sin embargo irán bajando. Así, identificar polimorfismos específicos e incluso
conjuntos particulares de ellos que conformen determinados halotipos,
puede permitir explicar diferentes respuestas del individuo frente a igual exposición
de alimentos (Van Ommen, 2004). Este aspecto posee una inminente
aplicación en el campo de la oncología: la existencia de una especie de "firma
transcripcional" que actuaría como impresión digital, estableciendo la contribución
de ciertos alimentos en la regulación de los genes propios al estado de
salud o al riesgo de contraer cáncer (Spalvieri y Rotenberg, 2004).
Los avances de nuestros conocimientos acerca de las variantes genéticas
que influyen sobre la respuesta a la dieta, y sobre la forma en cómo
determinados nutrientes influyen en la actividad del genoma humano,
permitirán que las recomendaciones dietéticas personalizadas alcancen
en el futuro una eficacia muy superior a la actual. Como consecuencia,
podremos reducir el riesgo de enfermedades de forma más eficaz que
con las recomendaciones universales.
5.3.2. Nutrigenética y enfermedad cardiovascular
Introducción
Las enfermedades cardiovasculares son de las más prevalentes dentro de la sociedad
occidental, y se considera la causa de 1 de cada 5 muertes en USA (Chilton,
2004; Frenzel y Theilmeier, 2006; Heusch, 2008). Estudios epidemiológicos
y estudios de cohorte largos han establecido una fuerte relación entre la
ingestión de lípidos y el desarrollo de enfermedades cardiovasculares, como
la ateroesclerosis (figura 41), dando importancia a dos lipoproteínas como targets
para combatir tales enfermedades: Low density lipoproteins22 y High-density
lipoproteins23 .
(22)LDL
(23)HDL
© FUOC • PID_00156943 74 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 41. Placa de colesterol en una arteria carótida
Datos clínicos demuestran que la eficacia de tratamientos para reducir los lípidos
plasmáticos en la prevención de las enfermedades cardiovasculares dependen
de los cambios en el estilo de vida (modificaciones en la dieta y actividad
física, conjuntamente con una reducción del fumar y del peso corporal),
y de la terapia molecular con compuestos farmacéuticos (Chao y otros, 1991;
Clifton y otros, 2004; Kankkonen y otros, 2004; Miltiadous y otros, 2006; Raffai
y otros, 2005; Shin y otros, 2004; Stein y otros, 1975). No obstante, es bien
conocido que los individuos responden diferentemente a las intervenciones
terapéuticas descritas anteriormente, algunos, incluso no alcanzando los niveles
recomendados de lípidos en plasma. Esta variación en la respuesta se
asocia a diferencias genéticas entre la población, y enfatiza la importancia de
identificar aquellos genes que tienen un papel crucial en la protección de las
enfermedades cardiovasculares, e identificar su relación con los compuestos
de la dieta.
Salvo la hipercolesterolemia familiar, la mayoría de las enfermedades cardiovasculares
tienen una base multigénica (Palou, 2006). La hipercolesterolemia
familiar es un trastorno monogénico causado por un polimorfismo en el gen
que codifica el receptor de la lipoproteína de baja densidad24. Esa alteración
provoca un aumento de la concentración sérica de colesterol total (> 250 mg/
dL), que resulta en un elevado riesgo de enfermedad cardiovascular prematura
y muerte súbita antes de los 60 años (Palou, 2006). Afecta a una de cada
400 o 500 personas en la población. Se requiere un tratamiento dietético, farmacológico,
o ambos, para reducir la mortalidad (Palou, 2006). La investigación
en el conocimiento de los genes y polimorfismos nos permite determinar
los principales fenotipos cardiovasculares y su relación con la concentración
de colesterol total, colesterol-LDL, colesterol-HDL25, triglicéridos, presión
arterial, concentración de marcadores de inflamación crónica, porcentaje de
grasa corporal, entre otras. Se han descrito más de 4.000 genes vinculados con
los trastornos cardiovasculares, una relación directa, sin embargo, sólo se han
evidenciado en 400, a través de estudios poblacionales. La cifra es todavía menor
si consideramos los genes para los que se ha descrito una interacción con
algún componente de la dieta (Palou, 2006). Hasta el momento, algunos de
los genes candidatos, y sus SNP comunes, que han estado identificados con
(24)LDL;low density lipoproteins
(25)High density lipoproteins
(26)ApoA1
(27)CEPT
(28)LPL
(29)HL
© FUOC • PID_00156943 75 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
una evidencia preliminar en el metabolismo de lípidos son la apolipoproteína
A126, la colesterol ester tanfer protein27, la lipoprotein lipase28, la hepatic triglyceride
lipase29, entre otras.
Enfermedades cardiovasculares: la apolipoproteína A1 y las grasas
dietarias
La apolipoproteína A1 juega un papel central en el metabolismo lipídico y en
la prevención de enfermedades cardiovasculares (Florvall y otros, 2006; Lind,
2008). El cambio de una guanina por una adenina (A-G) en el promotor del
gen de la apoproteína ApoA1 está asociado con un incremento de las concentraciones
del colesterol-HDL. Cada persona posee dos copias del mismo gen
(alelos): una procede del padre y la otra de la madre. Pueden ser iguales o distintas.
La combinación de los alelos para una posición determinada del genoma
se denomina genotipo. En el caso de la variación en el gen de la ApoA1,
los genotipos que podemos encontrar en la población son:
1) AA. Ambos alelos (materno y paterno) poseen la base A, por tanto es un
genotipo homocigoto (las dos copias iguales) normal.
2) AG. Es heterocigoto (dos copias distintas), pues uno de los alelos es normal
(A) y el otro ha sufrido una mutación (G).
3) GG. Corresponde a la situación de un homocigoto con los dos alelos mutados.
Recientemente se ha descubierto que los niveles de colesterol-HDL son sensitivos
a factores dietarios como los ácidos grasos poliinsaturados30, y que los
individuos con polimorfismos al promotor del gene APOA1 reaccionen diferentemente
a la ingestión de PUFA (Whelan y otros, 2008). Así, los individuos
que presentan el genotipo AA muestran mayores niveles de colesterol HDL en
plasma tras la ingesta de PUFA (Gillotte-Taylor y otros, 2002), mientras que
los que presentan genotipos AG y GG (salvaje), o bien no presentan modificaciones
en los niveles plasmáticos de esta lipoproteína o se observan descensos
en respuesta a los PUFA de la dieta, siendo éstos los que experimentarán los
efectos más nocivos de una dieta rica en grasas. Así, podría predecirse que los
sujetos con bajas concentraciones de colesterol-HDL y portadores del alelo A
en el polimorfismo APOA1 -75 G/A podrían beneficiarse de las dietas que contienen
altos porcentajes de PUFA. En cambio, los genotipos AG y GG tienen
importantes implicaciones en el riesgo de padecer enfermedades cardiovasculares
(DeBusk y otros, 2005; Ryan-Harshman y otros, 2008). El polimorfismo
de este gen también se ha asociado con otras enfermedades degenerativas como
el Alzheimer (Vollbach y otros, 2005).
En cualquier caso, es importante hacer énfasis en que aún no es el momento
apropiado para utilizar esta información en la práctica clínica y, cuando llegue
ese momento, las recomendaciones no estarán basadas en un solo gen y éstas
(30)PUFA
© FUOC • PID_00156943 76 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
tendrán que contemplarse en el contexto de la salud y de la nutrición globales.
En este ejemplo concreto, un incremento de PUFA debería ser relativo, y sería
necesario reemplazar otros componentes dietéticos para evitar un aumento en
la ingesta energética. De manera similar, la ingesta de antioxidantes tendrá que
ajustarse en consonancia con el objetivo de hacer frente al posible incremento
de la oxidación de PUFA.
Enfermedades cardiovasculares: la apolipoproteína E y las grasas
dietarias
La apolipoproteína E31, alojada en el cromosoma 19, está relacionada con
las concentraciones de colesterol total y colesterol-LDL (Palou, 2006). El gen
APOE es un gen polimórfico con tres alelos comunes en la población general:
épsilon2, épsilon3 y épsilon4; la frecuencia de los mismos varía ampliamente
según la zona geográfica (Palou, 2006). En general, el alelo épsilon3 es el
que presenta una mayor prevalencia. Los portadores del alelo épsilon4 muestran
concentraciones séricas mayores de colesterol-LDL que un homocigoto
épsilon3, aunque consuman la misma dieta. Los portadores de épsilon2, en
cambio, aun siguiendo la misma dieta que los otros dos grupos, presentan las
concentraciones de colesterol-LDL menores. El alelo épsilon4 se ha propuesto
como un genotipo ahorrador, puesto que es el que presenta mayores concentraciones
de colesterol. Asimismo, se sabe que en las poblaciones primitivas,
el alelo épsilon4 era el más prevalente; en la actualidad, la frecuencia de ese
alelo es todavía muy elevada en numerosos países africanos y poblaciones indígenas.
La interacción entre ese polimorfismo y el consumo de grasa total
determina la concentración sérica de colesterol-HDL (Palou, 2006). El efecto
de la grasa de la dieta sobre la concentración de colesterol-HDL no es igual
pera todos los individuos, sino que varía en función del genotipo para el polimorfismo
en cuestión. Un aumento en el consumo de grasas produciría un
incremento notable de la concentración de colesterol-HDL en las personas con
el genotipo CC, un ligero aumento en los individuos CT y una disminución en
las personas TT, siendo éstos los que experimentaran los efectos más nocivos
de una dieta rica en grasas (Palou, 2006).
Así, una estrategia de baja ingesta de grasas y colesterol puede ser particularmente
beneficiosa en términos de reducción de las concentraciones plasmáticas
de colesterol en los sujetos portadores del alelo apoE4 en el gen APOE. Con
tal modificación dietética, los portadores de dicho alelo consiguen reducir en
un 24% su colesterol LDL, en lugar del 14% observado en los sujetos con poE2
y apoE3. Esta característica, sin embargo, no se cumple en los heterocigotos
con hipercolesterolemia familiar (HF) portadores del alelo apoE4 (Carmena-
Ramon y otros, 2000), en ellos la mutación del receptor LDL parece prevalecer
sobre el polimorfismo de la apoE, y la respuesta del colesterol plasmático a las
dietas bajas en grasa y colesterol es limitada y similar a la observada en los
(31)APOE
© FUOC • PID_00156943 77 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
portadores de los alelos E2 y E3. En el mismo sentido, los heterocigotos HF
portadores del alelo E4 responden bastante menos al tratamiento con estatinas
que los grupos E3 y E2 (Ordovas y otros, 1995).
Enfermedades cardiovasculares: la lipasa hepática y las grasas
dietarias
La lipasa hepática corresponde a una enzima lipolítica clave del metabolismo
del colesterol-HDL (Palou, 2006). En su región promotora se han descrito distintos
SNP en elevado desequilibrio de ligamiento, que forman haplotipo. En
la posición 514, existe un SNP que involucra un cambio de C por T (514C >
T). El -514C>T ha resultado ser un SNP asociado a alteraciones en la actividad
enzimática y en las concentraciones plasmáticas de lipoproteínas. En el caso
de la variación 514C>T, en el gen de la lipasa hepática, los genotipos que podemos
encontrar en la población son:
1) CC. Ambos alelos (materno y paterno) poseen la base C en la posición 514;
es, por tanto, un genotipo homocigoto (las dos copias iguales) normal.
2) CT. Es heterocigoto (dos copias distintas), pues uno de los alelos es normal
(C) y el otro ha sufrido una mutación (T).
3) T. Corresponde a la situación de un homocigoto con los dos alelos mutados.
En la población occidental, la prevalencia de los genotipos CC, CT y TT ronda
el 64, 33 y 3 por ciento, respectivamente (Palou, 2006). Los sujetos portadores
del genotipo CC reaccionan a mayores contenidos de grasa en sus dietas incrementando
las concentraciones de colesterol HDL, lo que podría interpretarse
como un mecanismo de defensa para mantener la homeostasis del metabolismo
de las lipoproteínas. Por el contrario, los portadores del genotipo TT no
son capaces de compensar y, de hecho, presentan descensos en las concentraciones
de colesterol HDL (Tai y otros, 2003).
Enfermedades cardiovasculares: la 5-10-metilentetrahidrofolatoreductasa
y el folato
La 5-10-metilentetrahidrofolatoreductasa32 es una enzima implicada en el metabolismo
del ácido fólico que cataliza la reducción del 5,10 metileno tetrahidrofolato
(THF) a 5-metil THF (forma primaria de folato sérico, con sustrato
para la remetilación de la homocisteína a metionina). Si falla la enzima, se
produce un incremento de homocisteína en la sangre (Silveira y otros, 2007),
con el consiguiente aumento del riesgo de trombosis venosa o arterial (Palou,
2006).
El gen de la MTHFR, instalado en el cromosoma 1, consta de 11 exones. En
el exón 4, en la posición 677, existe un SNP que involucra un cambio de C
por T (677C > T). Ese cambio en el ADN se traduce en un cambio de alanina
por valina en el aminoácido 222 de la proteína correspondiente. La altera-
(32)MTHFR
© FUOC • PID_00156943 78 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
ción produce una versión termolábil de la enzima, que presenta menor actividad
y se relaciona con un incremento de las concentraciones de homocisteína
en plasma (aminoácido con propiedades aterogénicas y protrombóticas) y
un incremento del riesgo de enfermedad cardiovascular y tromboembólica y
aumento de complicaciones obstétricas en algunos estudios (figura 42). Cada
persona posee dos copias del mismo gen (alelos): una procede del padre y la
otra de la madre. Pueden ser iguales o distintas. La combinación de los alelos
para una posición determinada del genoma se denomina genotipo. En el caso
de la variación 677C>T en el gen de la MTHFR, los genotipos que podemos
encontrar en la población son:
1) CC. Ambos alelos (materno y paterno) poseen la base C en la posición 688;
es, por tanto, un genotipo homocigoto (las dos copias iguales) normal.
2) CT. Es heterocigoto (dos copias distintas), pues uno de los alelos es normal
(C) y el otro ha sufrido una mutación (T).
3) TT. Corresponde a la situación de un homocigoto con los dos alelos mutados.
La variación 677C>T en el gen de la MTHFR es bastante frecuente en la
población, del 5 hasta el 30% de ésta (Silveira y otros, 2007).
Para el polimorfismo del gen MTHFR, se ha descrito una interacción con la ingesta
de ácido fólico y vitamina B, que se encuentra en verduras de hoja verde,
frutas, legumbres y cereales integrales (Pisabarro, 2006). En personas con una
dieta pobre en ácido fólico se detecta una mayor concentración sérica de homocisteína
en los homocigotos TT, en comparación con los demás genotipos.
Ello les confiere un mayor riesgo cardiovascular. Sin embargo, una dieta rica
en ácido fólico se compensa el defecto en el ADN, los individuos TT presentan
una concentración sérica de homocisteína normal (Palou, 2006). De acuerdo
a tales investigaciones, había que recomendar un mayor consumo diario de
alimentos ricos en ácido fólico, sobre todo en las personas con el genotipo TT
para el SNP 677 C>T en el gen de la MTHFR. La ingesta de elevadas cantidades
de folato consigue una normalización de la concentración de homocisteína
en plasma, aunque su repercusión en términos de morbilidad cardiovascular
está por demostrar (Silveira y otros, 2007).
© FUOC • PID_00156943 79 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Todos estos conocimientos facilitarán el camino hacia unas recomendaciones
dietéticas que, basadas en factores genéticos, contribuirán a
reducir el riesgo de enfermedades cardiovasculares de forma más eficaz
que con las actuales recomendaciones universales. Sin embargo, deberíamos
tener en cuenta que este estadio es sólo el comienzo de un interesante
y revelador periplo. Los conocimientos actuales son sólo una
prueba de concepto que demuestra que este enfoque debería llevarnos
a la consecución de nuestro objetivo de prevenir las enfermedades cardiovasculares
o de dar con terapias más seguras y eficaces. Los ejemplos
que presentamos aquí representan sólo la pequeña punta del iceberg
de la información que es preciso reunir para formular unas recomendaciones
seguras y eficaces basadas en la genética, y se necesitarán otros
enfoques que podrán ser incorporados dentro del concepto de la genómica
funcional.
Figura 42
A partir del folato ingerido con la alimentación, el tetrahidrofolato se comporta como un aceptor/donador de grupos metilo,
proceso en el que se encuentra involucrada la enzima clave metilentrahidrofolatoreductasa (MTHFR). Este ciclo se halla
imbricado con la síntesis de purinas y pirimidinas y con los fenómenos de metilación del ADN a través de la acepción por la
homocisteína de un grupo metilo donado por el 5-metilTHF, reacción catalizada por la metionina sintasa. La variante termolábil
de la MTHFR (C677T) presenta una actividad reducida, e induce, en condiciones dietéticas de escasez de folatos, un incremento
de los niveles plasmáticos de homocisteína y un incremento del riesgo cardiovascular.
Fuente: Silveira y otros (2007)
5.3.3. Nutrigenética y el síndrome metabólico
El síndrome metabólico33, se caracteriza por la presencia de resistencia a la insulina
además de por hiperinsulinemia compensadora, intolerancia hidrocarbonada
o diabetes mellitus tipo 2, dislipemia aterogénica (aumento de triglicéridos,
y disminución del colesterol HDL), obesidad central, hiperuricemia,
alteraciones hemorreológicas y de la fibrinólisis, y disfunción endotelial (Bonora
y otros, 2003) (figura 43). Todas estas alteraciones que, de manera secuencial
o simultánea, pueden acumularse en el síndrome metabólico, aceleran el
desarrollo de la enfermedad cardiovasculares (Hamburg y otros, 2008; Jeppesen
y otros, 2007; Meigs y otros, 2007; Meshkani y Adeli, 2009). En la actualidad
no se dispone de una definición universalmente aceptada, no obstante
en la tabla 11 se encuentra la descripción del síndrome metabólico según la
Organización Mundial de la Salud (1999).
(33)También conocido como síndrome
plurimetabólico, dismetabólico,
de Reaven o síndrome X
© FUOC • PID_00156943 80 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 43
El síndrome metabólico se caracteriza por resistencia a la insulina, obesidad abdominal, presión arterial
elevada, placas ateroescleróticas, entre otras.
Tabla 11. Descripción del síndrome metabólico según la Organización Mundial de la Salud
(1999)
Características.del.síndrome.metabólico
Intolerancia a la glucosa o diabetes mellitus tipo 2
HTA 3140/90 mmHg.
Dislipemia: hipertrigliceridemia 3150 mg/dl o descenso de cHDL (varones, 35
mg/dl; mujeres, 39 mg/dl).
Obesidad central o visceral
Microalbuminuria (excreción urinaria de albúmina 320 µg/min o cociente albúmina/
creatinina >30 mg/g).
El síndrome metabólico es una entidad poligénica y multifactorial de naturaleza
compleja (Chuang, 2008; Garaulet y Madrid, 2009; Joy y Hegele, 2008;
Joy y otros, 2008). Todos los componentes del síndrome metabólico presentan
alguna asociación con la resistencia a la insulina, la cual podría ser un común
denominador. De facto, la mayoría de los estudios han puesto de manifiesto
que cerca del 50% de la variabilidad de la resistencia a la insulina podría estar
genéticamente determinada y que la variabilidad restante se explicaría por
factores individuales específicos. Todo este componente genético (Teran-Garcia
y Bouchard, 2007) está fuertemente correlacionado con factores ambientales
relacionados con los hábitos/estilos de vida, como el exceso en la ingesta
calórica, la escasa actividad física, el exceso de grasas saturadas, la dieta con
bajo contenido en fibra, el excesivo consumo de alcohol y el tabaquismo. El
© FUOC • PID_00156943 81 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
estudio de las interacciones genes-ambiente en estudios epidemiológicos es
esencial para comprender las variaciones individuales de prevalencia/incidencia
del síndrome metabólico.
La dieta es, sin duda, un factor de riesgo de enfermedades cardiovasculares. Éste
ha sido el argumento central de la Asociación Americana del Corazón y del
National Cholesterol Education Programm, recomendando que los niños adopten
hábitos nutricionales que limiten la ingesta de grasa al 30% de la energía y
la ingesta de colesterol a menos de 300 mg/dl. A escala poblacional, estas recomendaciones
asumen que todos los individuos responden de forma similar
a las modificaciones dietéticas. Sin embargo, existen diferencias considerables
interindividuales en respuesta a las concentraciones plasmáticas de lípidos por
alteraciones en la cantidad de grasa y colesterol en la dieta. Algunos individuos
presentan baja respuesta a las intervenciones dietéticas; sin embargo, otros
presentan una alta respuesta (Haq y otros, 1995; Wang y otros, 2000). Así, las
variaciones de las concentraciones basales de colesterol que se correlacionan
con la respuesta al colesterol de la dieta dependen en el 50% del componente
genético. Los polimorfismos relacionados con el síndrome metabólico son de
gran importancia, puesto que nos permitiría la identificación de individuos
con riesgo de presentar síndrome metabólico y sus complicaciones asociadas,
además de identificar a los individuos que no responden a las intervenciones
dietéticas y que podrían requerir, quizás, prescripciones dietéticas más drásticas
o mejor ajustadas.
Desgraciadamente, la mayor parte de los estudios han examinado el efecto de
un único gen para estimar el riesgo genético. Una aproximación más productiva
sería el estudio de múltiples genes simultáneamente.
5.3.4. Nutrigenética y cáncer
La carcinogénesis es un proceso multifactorial en el que se produce una agregación
sucesiva de defectos en el ADN, generados por la exposición a agentes
medioambientales, infecciosos y a los contenidos en los alimentos (Go y
otros, 2003; Key y otros, 2004; Mathers, 2003; Uauy y Solomons, 2005). Este
daño podrá ser detectado por los sistemas de vigilancia celulares, los cuales,
si pueden, repararán las alteraciones que se hayan producido en el material
genético o, en caso de que el daño sea insalvable, inducirán la muerte de la
célula afectada, o apoptosis. Si este daño en el ADN no es correctamente reparado,
se generará una inestabilidad genética (Martínez de Victoria, 2007). Esta
inestabilidad puede causar diferencias genómicas entre las diferentes células,
es decir, una heterogeneidad genómica celular responsable de las diferentes
morfologías y comportamientos tumorales. Aunque el mecanismo más aceptado
del inicio de un proceso neoplásico es la mutación de un gen crítico para
el desarrollo de un cáncer por agentes carcinogénicos en una célula somática,
éste no es, en cambio, capaz de explicar por qué algunos compuestos, a pesar
de ser carcinogénicos, no son mutagénicos y, a la inversa, por qué algunos
compuestos mutagénicos no son carcinogénicos (Martínez de Victoria, 2007).
© FUOC • PID_00156943 82 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
En este caso cabría aceptar el inicio de un proceso neoplásico por un mecanismo
no genotóxico y no mutacional, por el cual, alteraciones en la fidelidad
genética de una estirpe celular debidas a alteraciones en la maquinaria de replicación
del ADN, causarían una inestabilidad genética responsable de mutaciones
secundarias que darían lugar a un crecimiento celular descontrolado
y a la generación de un tumor. Además, estas mutaciones secundarias serían
múltiples, y no una única mutación.
Los primeros estudios que relacionaban la alimentación con el desarrollo de un
proceso neoplásico datan de 1940 y 1950 (Tannenbaum y Silverstone, 1949,
1952, 1953), y en ellos se relacionaron los efectos de una dieta rica en grasas
con el crecimiento tumoral. Aunque inicialmente el interés se centró en los
compuestos químicos como los principales causantes del cáncer, actualmente
se ha estimado que los compuestos contenidos en los alimentos estarían implicados
en la etiología del 30% de los casos de cáncer en países desarrollados,
lo que hace de la dieta la segunda causa (después del tabaco) de desarrollo del
cáncer teóricamente prevenible (Martínez de Victoria, 2007). Se han determinado
múltiples compuestos contenidos en los productos alimenticios capaces
de modular la señalización molecular y de prevenir o inducir un proceso carcinogénico.
De facto, diversos micronutrientes esenciales son biológicamente
necesarios para un correcto funcionamiento de la maquinaria de reparación
y mantenimiento del contenido genético celular. La carencia de algunos de
estos micronutrientes se ha asociado a la aparición de daño en el genoma, lo
que supone un aumento en el riesgo de desarrollar un proceso neoplásico.
Por ejemplo, el gen que codifica la metilen tetrahidrofolato reductasa34, enzima
relacionada con el metabolismo del ácido fólico, es clave en las reacciones
de metilación. Varios laboratorios han publicado que el polimorfismo C667T
(que resulta en la sustitución de Alanina por Valina), causa una disminución
de la actividad enzimática (induce la síntesis de una enzima más tremolabil
y con una actividad específica reducida, 50%) y está inversamente asociado
con la presencia de cáncer colorrectal y leuvolcemia linfocitaria aguda. El genotipo
T se relaciona en individuos con ingestas adecuadas o altas de folatos,
vitamina B12 y vitamina B6, con un menor riesgo de padecer ademonas de
colon y carcinoma de colon-recto. Concretamente, el genotipo TT puede tener
hasta un 30% menos riesgo de padecer cáncer (figura 44). Parece que esto puede
relacionarse con la menor incorporación errónea al ADN de uracilo y más
de timina, evitando las roturas del ADN que aumentan el riesgo de aparición
de neoplasias. Sin embargo, como antes mencionamos, es necesaria la ingesta
adecuada de vitamina B6 y B12 y con una dieta rica en metilo, ya que la baja
ingesta de estas vitaminas o una dieta depleccionada en metilo, junto con la
ingesta de alcohol, aumenta el riesgo de cáncer de colorectal en los portadores
de este polimorfismo.
(34)MTHFR
© FUOC • PID_00156943 83 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Figura 44.
Polimorfismos de la enzima metileno tetrahidrofólico reductasa (MTHFR) y susceptibilidad de padecer cáncer de colon y
enfermedad cardiovascular (ECV). Influencia de la ingestión de algunas vitaminas.
Fuente: Martínez de Victoria (2007)
La vitamina D es una vitamina liposoluble que se encuentra en los alimentos
y puede ser sintetizada en la piel de los humanos en respuesta a la luz solar
(Ross, 2007). Con la presencia de la luz ultravioleta adecuada, con una longitud
de onda de 290 a 315 nm, la ingestión dietaria de VitD no es necesaria.
Debido a que la exposición de luz solar no es siempre posible, la ingestión
de VitD es requisito esencial para evitar las enfermedades de los huesos como
la osteomalacia. Existen también evidencias de que la vitamina D juega un
importante role en el sistema inmunológico y la regulación del crecimiento
y diferenciación celular en el cáncer. El receptor de la Vitamina D (VDR), un
receptor nuclear hormonal, es conocido mediante las acciones biológicas de
la 1,25-dihidroxivitamina D3, la forma fisiológicamente activa de la vitamina
D, regulando una variedad e genes involucrados en las proliferación y diferenciación
celular. Actualmente se conocen algunos polimorfismos del VDR, pero
solo algunos han demostrado un impacto funcional o de riesgo de enfermedad
(Borges y otros, 2009; Chakraborty y otros, 2009; Dundar y otros, 2009; Funakoshi
y otros, 2009; Mahmoudi y otros, 2009; Testa y otros, 2009). Un polimorfismo
del VDR es el Fok1. Este polimorfismo da lugar a una proteína que
contiene 3 aminoácidos más que los individuos que no tienen el alelo Fok1, es
decir, los F. Los individuos con los genotipos Ff o ff presentan un 51% o 84%
de riesgo superior a desarrollar cáncer colorrectal, respectivamente (Mahmoudi
y otros, 2009). Los que consumen dietas con bajo calcio o bajo contenido
de grasa tienen más del doble de riesgo de cáncer colorrectal cuando son ff
comparado con el genotipo FF. Además, el alelo Fok 1 F se ha relacionado con
la protección del cáncer de prostata en los hombres con suficiente exposición
a la vitamina D (Taylor y otros, 1996). Adicionalmente, el polimorfismo del
VDR se ha estudiado en conexión con otros cáncer, incluyendo el de mama y
el melanoma (Tang y otros, 2009; Taverna y otros, 2005; Taverna y otros, 2002;
© FUOC • PID_00156943 84 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
Taylor y otros, 1996; Testa y otros, 2009). No obstante, son necesarios más estudios
para entender el efecto conjunto de la dieta, de la exposición al sol y del
genotipo concreto de cada individuo para acarrear conclusiones importantes.
Por otro lado, determinados compuestos de la alimentación pueden ejercer el
efecto contrario, es decir, inducir un proceso neoplásico. A estos compuestos
se les ha denominado carcinógenos, y la mayoría de ellos no tienen un origen
natural en la alimentación, sino que son producto del proceso de cocción o de
la manipulación industrial. Este sería el ejemplo de algunos aditivos alimentarios
como las nitrosaminas y nitrosamidas usadas para conservar determinados
alimentos. De esta manera, los efectos que los compuestos bioactivos
puedan ejercer a nivel celular se reflejarán alterando los diversos estados de
funcionalidad celular. En determinadas circunstancias y en ciertos individuos,
la dieta puede llegar a ser un factor de riesgo importante.
De forma resumida, la carcinogénesis es un proceso compuesto por varios
estados en los cuales la expresión génica y las funciones de las proteínas
y los metabolitos empiezan a operar de forma aberrante (Go y
otros, 2003; Key y otros, 2004; Mathers, 2003; Uauy y Solomons, 2005).
En la era post-genómica, los eventos celulares mediadores de la carcinogénesis,
juntamente con su modulación a partir de factores nutricionales,
ha conseguido recopilar importante información para entender
estas enfermedades. No obstante, la complejidad que encierra el análisis
de la nutrigenética y el cáncer se puede entender fácilmente analizando
la cantidad de componentes esenciales y no esenciales que se han propuesto
como candidatos a ejercer algún tipo de efecto sobre el desarrollo
de un proceso neoplásico. Se han descrito una gran cantidad de compuestos
de la dieta que parecen tener relevancia en el desarrollo del cáncer
y en el comportamiento tumoral. Pero identificar qué componentes
de la dieta son más importantes en cuanto a aumentar o disminuir el
riesgo de padecer cáncer resulta muy complicado dados los cientos de
compuestos que se consumen a lo largo del día. Además, no se debe
perder de vista el hecho de que los procesos implicados en el desarrollo
del cáncer se pueden ver modificados simultáneamente, como el proceso
de detoxificación, reparación del ADN, proliferación celular, apoptosis,
diferenciación y angiogénesis. De la misma manera, determinar
qué patrón alimentario puede ser más favorecedor en la prevención del
cáncer puede resultar complejo a consecuencia de la propia variación
en la composición de nutrientes en un mismo alimento y la propia variación
en respuesta del individuo.
© FUOC • PID_00156943 85 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
6. Genómica funcional: ética y sociedad
La identificación de aspectos individuales del genotipo no solamente permite
planear una intervención nutricional o farmacológica, también revela rasgos
ocultos propios del individuo, ya sea a la sociedad o a él mismo (González,
2005). Cada persona tiene el derecho a decidir qué quiere saber, y qué quiere
que los demás sepan de sí mismo. El debate continúa y la moralidad de la
identificación genética deberá ser establecida con el mayor grado posible de
consenso por parte de todo el conjunto de la sociedad (González, 2005).
La posibilidad de conocer el propio genoma puede desencadenar importantes
reacciones, tanto para la vida individual de las personas como para los terceros
que puedan tener acceso a esa información, y lo mismo cuando se trata del
genoma de individuos que de grupos humanos de poblaciones específicas. Y
son las interpretaciones o los prejuicios deterministas los que generan, directa
o indirectamente, la vasta y diversa problemática ética, social y legal asociada
a la información genética, o sea, las respuestas negativas ante ésta, las tendencias
a manipular y a explorar los datos genéticos y, basándose en ello, a
estigmatizar y segregar. El sesgo determinista se halla detrás del uso discriminatorio
de la información genética, que como se viene advirtiendo, amenaza
el ámbito del empleo, de las escuelas, de las aseguradoras, y amenaza también
a las comunidades y etnias particulares con la posibilidad e enajenar su acervo
genético, dado lugar así a nuevas formas de dominación y de segregación,
incluso de carácter racista (González, 2005).
Aparte, se puede destacar la pregunta de a quién va dirigida la medicina genómica,
quién es su destinatario real y efectivo. Porque en esta cuestión fundamental
subyace una amenaza ética que reclama especial atención: que la
medicina genómica venga a ahondar la brecha de desigualdad entre los países
que cuentan con los medios económicos y tecnológicos para hacerla suya y
disfrutar de sus novedosos beneficios, y quienes, por el contrario, puedan quedar
al margen de ella, bajo el dominio de quienes sí que generan y controlan
el nuevo poder tecno-científico, que éste acentúe, en suma, la consabida división
entre países y entre grupos sociales de un mismo país, entre los que más
y menos tienen (González, 2005). La ética en nutrigenética y nutrigenómica
tiene que plantear este hecho, más allá de toda demagogia, haciendo valer el
indeclinable imperativo de cerrar el paso a las posibilidades de que la medicina
genómica se preste, en este orden, a nuevas y graves formas de discriminación,
exclusión y desigualdad entre los seres humanos. Tiene que hacer valer,
en consecuencia, el desideratum moral de que el nuevo potencial genómico
contribuya, por el contrario, a disminuir la escisión, generando un auténtico
bien común, en verdad acorde con la nueva era que estaría inaugurando. La
ambivalencia se hace singularmente patente aquí, junto con la consecuente
necesidad ética de disolverla. Esto implica enfrentar varios retos concretos que
© FUOC • PID_00156943 86 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
subyacen en la interrogante acerca de los destinatarios de la medicina genómica.
Uno de ellos remite a la necesidad que tienen los países en desarrollo
de contar con una medicina genómica propia, con un desarrollo autónomo
e independiente que permita responder a las necesidades específicas de cada
población y asegure con ello la soberanía sobre el propio patrimonio genético
(González, 2005). Esto a la vez hace necesario garantizar el carácter equitativo
y justo de la medicina genómica (con su alto coste), no minoritario o elitista,
sino puesto a la disposición de quien lo requiera, o sea, de una medicina genómica
para todos, que cumpla con su doble y necesaria proyección, pública
y privada.
Aunque quizás el desafío ético mayor que tiene que afrontar la genética es el de
la comercialización de la vida y en especial de la patentación de los genes. La
amenaza de quebranto de lo ético no viene tanto de la ambivalencia del poder
médico y de los riesgos tecnológicos, sino del imperio de las leyes del mercado
(González, 2005). Esto comienza por poner sobre el tapete la obvia e inevitable
dependencia que las tecno-ciencias en general y las ciencias biomédicas
en particular tienen respecto a los intereses económicos, industriales y mercantiles.
Hecho que particularmente se pone de manifiesto en el problemático
ámbito de la patentes, con todo cuanto éstas implican ética y jurídicamente.
El desarrollo de la nutrigenómica y nutrigenética implica inevitablemente
la consideración de ciertos aspectos éticos (autonomía, consentimiento
informado, privacidad y acceso a la información, equidad) y
la necesidad de su regulación legal.
© FUOC • PID_00156943 87 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
7. Genómica funcional y perspectivas futuras en la
industria
La genómica nutricional puede ser una alternativa para personas con deficiencias
enzimáticas, predisposición genética para enfermedades complejas como
dislipidemias, diabetes y cáncer o en personas que ya las padezcan, en personas
con alteraciones del estado de ánimo o memoria, en el proceso de envejecimiento,
en mujeres embarazadas, e incluso en personas sanas como método
preventivo. Sin embargo, las interacciones entre el genoma y la dieta son
muy complejas, aún no están bien establecidas y es de extrema importancia
ser cuidadosos a la hora de generalizar hallazgos y aplicarlos a un individuo o
población (Xacur-Garcia y otros, 2008).
En función de los conocimientos obtenidos por la nutrigenómica y la nutrigenética
se empiezan a crear nuevos conceptos como el de "nutriente post-genómico"
definido por Martínez de Victoria (2007) y Young (2002), como aquel
nutriente constituyente de la dieta, natural o diseñado, y totalmente caracterizado
(física, química y fisiológicamente) que actúa como sustrato energético,
precursor en la síntesis de macromoléculas (proteínas, lípidos complejos, ácidos
nucléicos) u otros componentes necesarios para la diferenciación celular,
crecimiento, recambio, reparación, defensa y/o mantenimiento normal de la
célula o como molécula necesaria para la señalización celular, cofactor o determinante
de una estructura/ función molecular normal y/o como promotor
de la integridad celular y orgánica.
No es de extrañar el existente interés por parte de la industria alimentaria por
no perder el tren de los alimentos post-genómicos para conseguir diversificar
su cartera de productos previendo que este nicho de mercado crecerá de forma
exponencial en los próximos años (Xacur-Garcia y otros, 2008). A pesar de este
auge comercial y empresarial alrededor de la nutrigenómica parece necesario
atemperarlo con una cierta dosis de precaución, ya que hasta la fecha todavía
son escasos los estudios que respaldan la validez clínica de biomarcadores
nutrigenéticos específicos y sus diversas interrelaciones tanto con otros genes
como con factores ambientales. Desenmarañar toda esta complejidad de factores
llevará un tiempo además de un considerable esfuerzo en investigación.
De igual importancia es identificar la dinámica de los alimentos, es decir, cómo
interaccionan con el organismo en cuestión y si los nutrientes alcanzan
los tejidos objetivos. En general, las respuestas esperadas por la alimentación
de los individuos pueden no manifestarse de manera inmediata. Está claro que
la variación genética individual influye en la manera como los nutrientes son
asimilados, metabolizados, almacenados y excretados por el cuerpo. Aunque
en la mayor parte de la población estas variaciones pasan inadvertidas, es po©
FUOC • PID_00156943 88 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
sible que tengan mayor importancia de la que se les ha dado hasta ahora, no
sólo para evitar la aparición o progresión de enfermedades complejas, sino para
mantener una salud óptima a través de la vida (Xacur-Garcia y otros, 2008).
Una muestra de la aplicación en la industria alimentaria de estos conceptos
son los alimentos funcionales con ácido linoléico conjugado35, un tipo de ácido
graso con supuestos efectos beneficiosos sobre el peso y la composición
corporal (aumento de la masa magra y disminución de la masa grasa) (Pariza
y otros, 1999). En realidad, los CLA son un conjunto de isómeros posicionales
y geométricos del ácido linoléico con enlaces conjugados dienóicos, de los
cuales aquellos con actividad biológica conocida son el CLA cis-9, trans-11 y
trans-10, cis-12. En cambio, es destacable que el CLA cis-9, trans-11, el isómero
presente primordialmente de forma natural en leche y carne de rumiantes,
parece ejercer acciones antiinflamatorias a nivel de tejido adiposo y promover
un aumento de la sensibilidad a la insulina (Choi y otros, 2004). La proporción
de los diferentes isómeros es variable en los preparados comerciales destinados
a la alimentación humana y por tanto parece prudente la precaución
en su empleo, especialmente en pacientes obesos diabéticos o con síndrome
metabólico, por parte de una considerable fracción de la población de obesos
(Baumgard y otros, 2002). Por lo tanto, en este contexto, adquiere especial
importancia el concepto riesgo/beneficio, para el conjunto de la población y
para subgrupos particulares.
Un segundo ejemplo sería el aplicable a las plantas. Aunque en primera instancia
las plantas modificadas genéticamente (MG) se producían por meras
razones agroeconómicas –para conseguir resistencia frente a los herbicidas o
a los agentes patógenos (principalmente insectos y virus)– la tecnología se ha
centrado más recientemente en la mejora de las cualidades nutricionales de
las plantas y de la salud humana.
Arroz dorado y tomates transgénicos
Un buen ejemplo de los beneficios nutricionales de la modificación genética es el arroz
dorado, una clase de arroz creada por ingeniería genética para producir betacaroteno
(provitamina A) en el endosperma, y diseñada como solución biotecnológica al problema
de la deficiencia de vitamina A (al-Babili y otros, 2001; Ye y otros, 2000). Esta variedad
acumula provitamina A en una cantidad veinte veces superior a la de que pueden
obtenerse a través de la variedad original y podría proporcionar alrededor del 50% de la
vitamina A necesaria para un niño (Paine y otros, 2005). Un ejemplo que va más allá en el
uso de la modificación genética para la mejora de los rasgos nutricionales es el desarrollo
de los tomates transgénicos, especialmente aumentando el contenido de flavonoles. Se
sabe que los flavonoles tienen propiedades antioxidantes, y el consumo de alimentos ricos
en flavonoles se ha asociado a una mejora de la salud, en particular la cardiovascular
(Balzer y otros, 2006; Fisher y Hollenberg, 2005).
(35)CLA
Finalmente, hoy ya podemos ver en algunos sitios web la oferta de distintos
laboratorios de análisis genómicos relacionados con la nutrición. En ellos analizan
los polimorfismos de diferentes genes clave en el metabolismo de distintos
nutrientes, por ejemplo, metabolismo del ácido fólico (MTHFR), genes
implicados en el metabolismo oxidativo y en las defensas antioxidantes, otros
relacionados con el metabolismo óseo, con la sensibilidad a la insulina o con la
inflamación. En función de la presencia o no de determinados polimorfismos
Webs
Genele X
ehealthlabs.com
Genetic_Nutritional_Analysis
© FUOC • PID_00156943 89 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
o combinación de ellos, se envía a los pacientes un consejo dietético acerca
de qué tipo de alimentos no deben faltar en su alimentación habitual, cuáles
deben tomarse con precaución o moderación y los que deben incrementar su
ingesta. Quizás sea demasiado prematuro este tipo de análisis, ya que la información
disponible no es completa y se pueden crear falsas expectativas en los
pacientes. Es necesario seguir profundizando en este campo para poder llegar
a conocimientos aplicables en la práctica diaria.
La nutrigenética y la nutrigenómica tienen un amplio futuro en la nutrición
clínica y hospitalaria, mediante diagnósticos y herramientas más precisas que
permitan un óptimo soporte nutricional que ahorre tiempo y recursos y gane
efectividad y rapidez en la recuperación del paciente. En el campo de la genómica
se puede llegar a conocer la incidencia de las distintas variables genéticas
en las poblaciones, lo que permitiría elaborar políticas de intervención nutricional
más precisas y, por qué no, hacer tratamientos dietéticos personalizados
que se adapten a las características genotípicas y fenotípicas del individuo. En
cualquier caso, y no a muy largo plazo, la integración de la genómica en las
ciencias de la nutrición permitirá incrementar la efectividad de las intervenciones
nutricionales, tanto a nivel clínico como de población.
© FUOC • PID_00156943 91 Nutrigenómica y nutrigenética: la cara emergente de la nutrición
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