Nutriomic - komplexe Analyse der Interaktion zwischen Ernährungsumwelt und biologischer Individualität

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1 Nutriomic - komplexe Analyse der Interaktion zwischen Ernährungsumwelt und biologischer Individualität Frank Döring Biogenese, Technogenese Lebensmittel Ernährungsumwelt Mensch (...om) Gesundheit/ Krankheit

2 ...omics DNA-Chip-Technologien gehören zur neuen Biologie als big science Manfred Eigen: Biologie als big science Beginn der Biologie als big science: Renato Dulbecco we must now concentrate on the cellular genome. genomics phylogenomics Vollständige(r) Sequenzierung der Genome... Vergleich der Genome verschiedener Spezies?... Vergleich der Genome innerhalb einer Spezies transcriptomics proteomics structural genomics... Erfassung der mrnas in Zellen/Geweben... Erfassung der Proteine in Zellen/Geweben... Aufklärung der 3-D-Struktur von Proteindomänen?... Identifizierung der Protein-Protein-Interaktionen phenomics operomics... Aufklärung der Genfunktionen (functional genomics)... Kombination aller... omics zur Systembeschreibung Manfred Eigen, Perspektiven der Wissenschaft, 1988 (Deutsche Verlags-Anstalt); Renato Dulbecco, Science 231, 1055 (1986) Nature: 402, 23 (1999); 402, 362 (1999); 402, 413 (1999); 402, 714 (1999) 403, 623 (2000)

3 Vom Genom zur Funktion - Reduktion von Komplexität? Zelle DNA Genom 3 x 10 9 Basen Gene Metabolom (?) Metabolite Komplexom Proteinkomplexe C-C-N N-C-C 5 hn-rna mrna 3 Polymorphom 1 Base/1000 Basen Transkriptom mrnas Proteom Proteine

4 Prinzip und Anwendungen der DNA-Chip-Technologie Anwendungen Transkriptom-Analyse: Einfluß von x auf die Genexpression Polymorphom-Analyse: Biologische Variabilität auf der Ebene einzelner Basen (single nucleotide polymorphism=snp) Zellen/Gewebe markierte DNA/RNA-Stränge TACGGGTGTTAA TACCCCGCCATA...-3 Nachweis von >10 3 DNA/RNAs -3 -ATGCCCACAATT TACGGGTGTTAA ATGGGGCGGTAT TACCCCGCCATA simultan - semiquantitativ - spezifisch (1 Base!!)

5 Single-nucleotide Polymorphismen, Hypertonie und Salzsensitivität 74 Individuen Isolation genomischer DNA Amplifizierung, Markierung, Fragmentierung der DNA von 75 Kanditaten-Genen für die Blutdruckregulation SNP-Analyse mit 9 DNA-Chips und Gensonden Science 280, 1077 (1998); Nature Genetics 22, 239 (1999) Basen (50 % codierend) 874 SNPs (0.5 %) 387 SNPs codierend (44 %) 207 SNPs führen zu Aminosäure-Substituionen z. B. 17 SNPs im Angiotensinogen-Gen Ermittlung individueller Prädisipositionen zur Hypertonie und Salzsensitivität

6 Nährstoffbedarf und biologische Individualität Zahl der Individuen Menge Nährstoff/ Tag

7 Polymorphismus-abhängige Nährstoffversorgung?

8 Polymorphismus-abhängige Nährstoffversorgung? Gene: codieren für Enzyme: benötigen Cofaktoren Cofaktoren: Vitamine sind Bestandteil 30 % der Polymorphismen/ Mutationen in Genen für cofaktor-abhängige Enzyme führen zu einem erhöhten Km-Wert für den Cofaktor 50 Polymorphismen/ Mutationen beschrieben: hohe Vitamingaben führen zur partiellen Wiederherstellung der enzymatischen Aktivität Enzymkinetik normal Polymorphismus [Cofaktor] Linus Pauling (Science 160, , 1968)...dysfunction may be due to mutations that affect Km of enzymes Roger Williams (60er Jahre): Individuality in nutritional needs is the basis for the genetotrophic approach and for the belief that nutrition applied with due concern for individual genetic variations

9 Polymorphismus-abhängige Folatversorgung? Tetrahydrofolsäure Methioninsynthase (B 12 ) Methylentetrahydrofolsäure Methyltetrahydrofolsäure Serinhydroxymethltransferase (B 6 ) Methylentetrahydrofolatreduktase (B 2, Niacin) dump dtmp Polymorphismus: 677C T (Ala Val) 5-20 % Valin/Valin, bis zu 50 % Alanin/Valin Atheriosklerose, Dickdarmkrebs (?) Km-Wert für FAD (B2) erhöht Apoprotein ohne FAD instabil Folate stabilisieren Enzym

10 süss bitter Süss-Bitter-Geschmack 3 G-Protein-gekoppelten Rezeptoren Rezeptor 1+3= Bitter Rezeptor Rezeptor 2+3= Süss-Rezeptor

11 Ausgewählte Anwendungen zur Analyse der genetischen Variabilität mittels DNA-Chips Anwendung Beispiele/Möglichkeiten Literatur Identifizierung von Risikogruppen Brustkrebs (BRCA1) Nature Genetics 4,441 (1996) Individualisierte viele Krebsarten (p53) NAR 9,43 (2000) Neugeborenen-Screening Acta Paed 88,61 (1999) genetische Variabilität Pharmatherapie Phase-I-Enyzme (p450) Trends Pharm.20, 342 (1999) Ernährunsregimes Adipositas (MC4-Rezeptor) Am J Hum Genet.65,1501 (1999) Blutdruck (Salzsensitivität) genetische Variabilität Voraussetzung für effiziente und rationale Anwendungen ist aber die Kenntnis der Funktion des Gens. Ansonsten entstehen Empfehlungen aufgrund von Korrelationen, die allerdings häufig heuristischen Wert haben.

12 Erzeugung eines Zinkmangels in-vivo zur Identifizierung Zinksensitiver Gene Ratten Schlundsonde, halbsynthetische Diät, 11Tage Kontrolldiät: 25 mg Zn/kg Diät Mangeldiät: 1.3 mg Zn/kg Diät Kontrollgruppe, n=12 Mangelgruppe, n=12 - Kontrolle des Zinkmangel: Phänotyp - Gewebeentnahme - Isolierung der mrnas - Markierung der mrnas - DNA-Chips: Vergleich der mrna-spiegel für Gene zwischen Kontroll- und Mangeltieren

13 Transkriptomanalyse: Identifizierung Zink-sensitiver Gene 4x8x18x18 = Gene 6000 exprimiert 5600 unverändert 200 ATP-Citrat-Lyase 200 > 5 % der Gene werden in ihrer Expression durch Zink beeinflußt

14 Von den Zink-sensitiven Genen zum Zinkregulon + +

15 Von den Zink-sensitiven Genen zum Zinkregulon Zink Thymulin Cofaktorfunktion Wachstumhormon- Achse Fremdstoffwechsel Signaltransduktion Genexpression (> 5 %) Trafficking Fettstoffwechsel Proteinstoffwechsel Identifzierung von Funktionsnetzen Zink-sensitive Gene als Biomarker

16 Vom Funktionsnetz höhere Ordnung zum Leben in-silico Proteinnetzwerk: 232 Funktionseinheiten Grafik des Reaktionsnetzwerkes evolutionär konserviert einer virtuellen Zelle Whole-Cell Simulation Trends in Biotechnology 19, 205 (2001) Nature 414, 141 (2002)

17 Identifizierung von Diät-Genen und Alterungs-Genen n=3 je Gruppe 5 Monate 30 Monate 30 Monate Altern Diät Kalorienrestriktion (KR) Diätprävention (DV) % Überlebende Kontrolle mittlere Lebenszeit Kontrolle: 33 Monate Diät: 45 Monate Diätgruppe (76 %) Muskel poly(a) + -RNA 6347 Gensonden/ Chip Altern: 58 mrnas 55 mrnas KR: 51 mrnas 57 mrnas DV: 63 % der Alterungsgene 0 Science 285, 1390 (1999) Alter in Monaten

18 Die Transkriptom-Analyse mittels DNA-Chips erlaubt den Einfluß verschiedenster Faktoren auf ein Genom zu erfassen Genexpession und... Beispiele/Möglicheiten Literatur Entwicklung Metamorphose d. Fruchtfliege Science 286, 2179 (1999) Zelluläre Netzwerke MAP-Kinase-Wege (Hefe) Science 287, 873 (2000) Zellzyklus (Hefe) Mol Cell 2, 65 (1998) Krebs Subtypisierung B-cell-Lymphom Nature 402, 503 (2000) toxische Verbindungen alkylierendes Agens PNAS 96, 1486 (2000) Pharmakatherapie CPX/Cystische Fibrose Mol Med 5, 753 (1999) Ernährungsforschung - Adipositas Leptingabe/Gewichtszunahme JBC 275, (2000) - Energieaufnahme Altern/Kalorienrestriktion Science 285, 1390 (1999) - Nährstoffe Glucose/ß-Zelle PNAS 97, 5773 (2000) Diätregimes Nährstoffmangel/Biomarker Darmflora

19 DNA-Chips zwischen Datenfriedhof und theoretischer Ernährungswissenschaft Gene 1000 Zelltypen (in-vivo, Zellkultur) 100 Spezies, Rassen oder Gruppen 10 Entwicklungsstadien 100 Nährstoffe 1000 nicht-nutritive Nahrungsinhaltsstoffe 100 Nährstoffkombinationen 10 Konzentrationen 10 experimentelle Designs Daten Bioinformatik Nutriinformatik

20 Nahrung genetische Individualität Genom Analytik DNA-Chips Genom-Genom- Interaktion Systembeschreibung

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