TEMA 14: EXPRESIÓN GÉNICA POR NUTRIENTES Flashcards
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DEF NUTRIGENÓMICA
La nutrigenómica, en un sentido amplio, es la ciencia que explica los mecanismos moleculares por los que los componentes de los alimentos, tanto nutrientes como otros compuestos químicos no nutrientes, afectan a la salud de los individuos a través de la alteración de la estructura y expresión de sus genes.
Las diferencias fenotípicas que distinguen a los individuos de la especie humana, se deben en gran medida a las diferencias en la secuencia de sus genes, fundamentalmente centrada en la existencia de polimorfismos genéticos de un solo nucleótido (SNP), a las variantes en el número de copias (CNV), así como al patrón de metilación génico
Los nutrientes fueron los primeros reguladores génicos en las primeras etapas evolutivas de la vida en el planeta.
Vestigios de este tipo de regulación los tenemos en los sistemas de regulación que nos ofrecen organismos poco complejos, como bacterias y levaduras.
Un ejemplo: operón lac, que permite en E. coli activar todas las proteínas implicadas en el transporte y metabolismo de la lactosa cuando este azúcar está presente en el medio de cultivo.
Esta capacidad se mantiene en organismos pluricelulares más complejos, como el ser humano, aunque es más difícil de poner en evidencia debido a la presencia de las hormonas. En este caso, el nutriente podría inducir la expresión de genes de forma indirecta a través de una hormona determinada.
Así la insulina, es un importante regulador génico en diversos tejidos. Sin embargo, la glucosa es el principal inductor de la expresión, síntesis y transporte de esta hormona en las células β pancreáticas
CONTROL TRANSCRIPCIONAL DEL OPERÓN LAC
Dentro de la región promotora que regula la expresión de este gen: está el promotor basal y el operador. Y tenemos una secuencia que se llama Cap. Por tanto dos secuencias reguladoras arriba y abajo del regulador basal que regulan la secuencia del gen- Hay una proteína que tiene una afinidad por el porteador y cuando está unida no hay transcripción pq es un represor. Esta circunstancia se da cuando no hay lactosa en el medio.
Si hay lactosa en el medio, esta se une a la proteína represora y desplazar a esta proteína de su lugar de unión en el ADN (induce la disociación del represor del promotor) de manera que eso activa la transcripción del gen.
Si además, se dan unas condiciones de baja glucosa, (poco sustrato energético, aumento AMPc, se ha visto que el AMPc es capaz de unirse a la proteína Cap haciendo que esta aumenta su afinidad por la secuencia Cap abstring del promotor. de manera que si se da la circunstancia de tener Cap unido y la proteína represora fuera del promotor: condición ideal para que el gen se transcribe de forma masiva.
lo importante es la regulación directa del propio nutriente (lactosa)
NUTRIGENÓMICA VS NUTRIGENÉTICA
La nutrigenómica estudia los efectos de los componentes de la dieta sobre la modulación de la expresión génica de un individuo.
La nutrigenética es el estudio de la expresión de los genes en respuesta a nutrientes específicos, pero condicionada por las variantes génicas individuales
El objetivo de la nutrigenética es generar recomendaciones específicas sobre la mejor composición de la dieta para el óptimo beneficio de cada individuo, es decir, conseguir una “nutrición personalizada”.
HERRAMIENTAS NUTRIGENÓMICA
GENOMICA
EPIGENOMICA
TRANSCRIPTÓMICA
PROTEÓMICA
METABOLÓMICA.
GENÓMICA
La genómica estudia la secuencia de los genes y la heterogeneidad de dichas secuencias, tanto en las regiones codificantes (exones), como en las no codificantes (regiones promotoras e intrones).
EPIGENÓMICA
La epigenómica se encarga del estudio de las modificaciones covalentes del DNA y de las histonas y de sus influencias sobre la expresión génica
TRANSCRIPTÓMICA
La transcriptómica evalúa la expresión de diferentes genes mediante la determinación cuantitativa de los mRNAs en un determinado tipo celular, tejido u órgano, en determinadas circunstancias.
PROTEÓMICA
La proteómica permite la identificación y cuantificación del conjunto de proteínas celulares generadas por la traducción de los distintos mRNAs.
METABOLÓMCIA
La metabolómica estudia el patrón y la concentración de todos los metabolitos de un determinado fluido corporal, tejido u órgano.
Influencia de las modificaciones de la cromatina sobre la expresión génica:
La accesibilidad al DNA puede regularse mediante la modificación covalente de las histonas y la metilación del DNA
Las histonas son básicas por tanto atraen al DNA que tiene cargas negativas. La modificación de las colas del DNA hacen que el nivel de compactación sea mayor o menor es decir más susceptible de ser transcrito o no. La principal de estas modificaciones es la acetilación (que disminuye la carga + de las histonas haciendo que el DNA esté más débilmente unido al nucleosoma y por tanto es más accesible para la unión de factores de transcripción y separación de las hebras. Y la metilación del DNA, las citocinas pueden ser metiladas y el grado de metilación en un gen determina si es activo o no transcripcionalmente. Todo este tipo de alteraciones son las que estudia la epigenética.
ENZIMAS DIGESTIVAS HIDROLÍTICAS
La glucosa y otros azúcares son capaces de regular la expresión de algunos genes expresados en las células intestinales.
EJ: La lactasa, el enzima que metaboliza la lactosa, se expresa en las células intestinales de todos los mamíferos, sobre todo en el periodo de la lactancia. La glucosa, fructosa, sacarosa, galactosa, almidón y glicerol aumentan la actividad de la lactasa y su mRNA; mientras que dietas con alto contenido de triglicéridos con ácidos grasos de cadena larga disminuyen la expresión del gen (con los años deja de expresarse). (dietas ricas en grasas favorecen más la bajada de la expresión del enzima)
EJ: El gen del complejo sacarasa-isomaltasa, necesario para la hidrólisis intestinal de la sacarosa o de la maltosa (disacárido terminal de la hidrólisis del almidón), es regulado de forma combinada por sacarosa y hormonas como hidrocortisona o el factor de crecimiento epidérmico (EGF). Cada uno de estos factores es capaz de aumentar los niveles del mRNA de dicho complejo
TRANSPORTADORES DE GLUCOSA
En enterocitos la glucosa es capaz de regular la expresión de SGLT-1 (transportador epitelial de glucosa acoplado al sodio) (es su propio transportador a nivel intestinal).
El transporte de glucosa en los tejidos no epiteliales está mediado por una familia de transportadores de glucosa denominados GLUT. Hasta la fecha se han caracterizado 11 transportadores diferentes denominados GLUT-1 a GLUT-9, GLUT-X y GLUT-13. El exceso de glucosa regula negativamente la expresión de GLUT-4 en músculo pero no en adipocitos.
Dietas con elevado contenido de fructosa regulan positivamente el mRNA de GLUT-5. Este cambio en la expresión génica de GLUT-5 es el que permite la adaptación al consumo elevado de fructosa sin que se produzca malabsorción y malestar por la ingesta de este nutriente. (el GLUT5 es el transportador de la fructosa)
GENES REGULADOS POR LA GLUCOSA
Vías de actuación:
1) La presencia de glucosa podría modificar la cantidad de factores de transcripción, incluyendo modificaciones en su localización celular.
2) Los factores de transcripción sufrirían modificaciones postraduccionales en presencia de glucosa, alterando las interacciones con la maquinaria básica de transcripción o con los activadores
► Se han identificado elementos de respuesta al azúcar en los promotores de algunos genes: ChoRE (“carbohydrate response element”). (Existen unos elementos de respuesta en los genes diana que responden a un aumento de glucosa. Ahí no se une la glucosa se une el ChoRE binding protein. Esta proteína es activada por la glucosa, se puede unir y activa a esos genes)
La proteína ChoREBP se une a estos elementos en función de la glucosa circulante:
↑ glucosa → +PP2A (se activa)→ deP- ChoREBP→ translocación al núcleo → activación transcripcional de genes (diana para la glucosa)
↓ glucosa →+PKA (se activa) = va a fosforilar al ChoREBP→ P- ChoREBP→ inhibición
►Modulación del factor de transcripción Sp1 en la activación por glucosa del gen de la acetil-CoA-carboxilasa (ACC) en adipocitos: (este gen interviene en la expresión de la acetil-CoA carboxilasa y está regulado directamente por la glucosa)
↑ glucosa → +PP1 (protein fosfatasa 1) → deP- Sp1 (defofosrila a SP1) → ↑ afinidad por el promotor de ACC (aumenta la afinidad del SP1 por esta) → activación
↓ glucosa → P- Sp1 (permanece fosforilado y por tanto se degrada, ya que es una señal de degradación) → degradación
Los AG nunca pueden ser sustrato para la síntesis de glucosa, a partir de acetil-Coa no podemos sintetizar glucosa (las plantas si). Sin embargo los HC sí que pueden dar lugar a lípidos.
Genes que codifican enzimas metabólicas y hormonas en tejidos encargados de regular la homeostasis de los nutrientes, como músculo, hígado, adipocitos y células β-pancreáticas: (enzimas implicadas en glucólisis o gluconeognéneis) Fosfofructoquinasa-1, PFK1; Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa, GAPDH; piruvato quinasa, PK; genes de la ruta lipogénica (acetil-CoA carboxilasa, ACC; ácido graso sintetasa)(implicadas en la síntesis de AG) .
Después de su entrada en los tejidos la glucosa se metaboliza generando metabolitos señal como: xilulosa-5-fosfato, glucosa-6-fosfato y la N-acetilglucosamina.
La xilulosa regula la conexión entre el metabolismo de HC y las grasas. Tiene efecto como regulador alostérico sobre enzimas de la lipogénesis.
Otros genes regulados por glucosa relacionados con: canales y transportadores, rutas de secreción, metabolismo proteico, apoptosis, reparación del DNA y transcripción y maduración del RNA, entre otros.
ACTIVACIÓN COORDINADA Y SINÉRGICA DEL GEN DE LA INSULINA
La glucosa controla el gen de la insulina a través de tres factores de transcripción:
Pdx-1 (proteína homeobox pancreática y duodenal 1)
Este factor de transcripción en condiciones de bajada de glucosa, está asociado con modificadores de histonas (inhibidores, quitan grupos acetilo). Mantiene la transcripción inhibida.
Cuando aumenta la glucosa, provoca la fosforilación de este factor de transcripción cambiando su afinidad y haciendo que reclute activadores transcripcionales (acetil transferasas, que van a acetilar las histonas = activación transcripcional)
NeuroD1 (factor 1 de diferenciación neurogénica)
La entrada de glucosa en la célula provoca una fosforilación y una glicosilación en el FT, y estas dos modificaciones provocan su translocación del citoplasma al núcleo. Activando la transcripción
MafA (homólogo A del oncogén del fibrosarcoma musculoaponeurótico Vmaf).
En condiciones basales prácticamente es degradado por proteosoma (tiene vida media muy corta)
Solo cuando aumenta la concentración de glucosa, cambia su localización, entra en el núcleo y evita su degradación y contribuye en la expresión del gen de la insulina.
Activan la expresión de la insulina de forma coordinada y sinérgica
Son 3 secuencias que hay en el promotor donde se unen 3 factores de transcripción que están regulados directamente por glucosa y que son responsables de la activación del gen de la insulina.
REGULACIÓN EXPRESIÓN GÉNICA POR LÍPIDOS
Los ácidos grasos libres unidos a FABP (proteína de unión a ácidos grasos), acil-CoA o algunos metabolitos de los ácidos grasos pueden:
Unirse directamente y activar un factor de transcripción.
De forma indirecta, interaccionando con moléculas que se encuentran en las rutas de señalización e influir sobre la tasa de transcripción de un factor de transcripción y sobre su síntesis.
Modificar la estabilidad del mRNA tanto de factores de transcripción como de otros genes diana
*En ayuno se movilizan los TG para obtener AG libres (en el adipocito) y se liberan al torrente sanguíneo para que los capten el resto de tejidos. El AG libre viaja unido a la albúmina en el torrente sanguíneo. Atraviesa las membranas por difusión o si es de cadena más larga, ya entra a través de un transportador específico (FATP). Al entrar en la célula se unirá al CoA para activarlo y poder entrar en la mitocondria para oxidarse o ir a la síntesis. Además tmb puede unirse a FABP y directamente ejercer un efecto pq habrá viajado al núcleo, unirse a un FT y activar o reprimir genes regulados. (será ligando de FT)
REGULACIÓN GÉNICA DE FORMA DIRECTA: PPARS
Los PPAR son FT que en realidad actúan como receptores de AG directos.
Los PPARs (Receptor activado por proliferadores peroxisomales) se encuentran en 3 isoformas diferentes: PPARα, PPARβ/δ y PPARγ. Los niveles de expresión de estas isoformas difieren de unos tejidos a otros y los ligandos que se unen a ellos son muy variados.
La forma activa de este receptor nuclear es un heterodímero que consta por un lado del correspondiente PPAR con su ligando y por otro lado el receptor del ácido 9-cis retinoico (RXR). Dichos heterodímeros reconocen secuencias específicas en los promotores de genes concretos tipo repetición directa DR-1 (5’-AGGNCAAAGGTCA-3’) modulando su transcripción. (una vez que le R PPAR une el AG, dimeriza con otro receptor, es un heterodímero. PPAR unido al AG dimeriza con RXR. Y es el heterodímero el que reconoce las secuencias específicas DR1)
REGULACIÓN EXPRESIÓN GÉNICA POR COLESTEROL
El colesterol y los oxiesteroles regulan la expresión de determinados genes a través de los factores de transcripción denominados SREBPs (SREBP-1a, SREBP-1c y SREBP-2).
Estos factores son sintetizados como precursores y permanecen unidos a las membranas del retículo endoplásmico. En situaciones de exceso de colesterol, el procesado de dichos precursores se ve inhibido. Cuando el colesterol escasea, las proteínas activas migran al núcleo donde tienen una gran afinidad por los elementos regulados por esteroles (5’ TCACNCCAC-3’) en los promotores de ciertos genes.
El SREBP-2 se encarga de la activación de genes que codifican enzimas implicados en la biosíntesis del colesterol, mientras que SREBP-1c estaría implicado en la activación de genes que codifican enzimas de la vía lipogénica. Estos factores también se activarían en situaciones de proliferación celular, donde es necesaria la síntesis de lípidos que formarán parte de las nuevas membranas celulares.
Finalmente, se conoce el efecto inhibitorio que ejercen los ácidos grasos poliinsaturados (AGPI) sobre la lipogénesis, esto podría ser a través de reducir la expresión de SREBP-1c.
Ácidos grasos poliinsaturados (AGPI): Ácidos grasos omega-3 (ω-3) son un grupo de ácidos grasos poliinsaturados de cadena larga y de cadena muy larga que se encuentran en alta proporción en los tejidos del pescado azul y ciertos mariscos, y en algunas fuentes vegetales tales como el aceite de soja, nueces o semillas de chía.
Los tres ácidos grasos omega-3 principales son el ácido alfa-linolénico (ALA), el ácido eicosapentaenoico (EPA) y el ácido docosahexaenoico (DHA). Se consideran esenciales.
Ácidos grasos insaturados trans: De origen animal e industrial. Consumo elevado de grasas “trans” aumenta un 34% el riesgo de muerte (mayoritariamente por enfermedad cardíaca)
Producen:
Aumento de colesterol
Degradación parcial en 𝛽𝛽-oxidación → escape de la mitocondria → altera síntesis de colesterol, degrada membranas, altera expresión génica….
*No se oxidan completamente y escapan de la mitocondria haciendo otros efectos en la célula.
FACTOR NUCLEAR KAPPA DE LINFOCITOS B(NF-κB)
El NF-κB (es un heterodímero formado por dos proteínas p50 y p65) regula la respuesta inmunitaria, la inflamación, proliferación celular, apoptosis o diferenciación celular.
El NF-κB se encuentra en el citoplasma en forma inactiva y su localización subcelular está controlada por una familia de proteínas inhibidoras: IκB.
La exposición de las células a diferentes estímulos extracelulares lleva a una rápida fosforilación, ubiquitinación y degradación de IκB, lo cual libera a NF-κB para su translocación al núcleo, donde se unirá a los promotores de una amplia variedad de genes, activando su transcripción. (en presencia del AG, el inhibidor es fosforilado y por tanto degradado de manera que puede trasladarse al núcleo)
La translocación de NF-κB al núcleo está regulada por varios AGPI : el ácido araquidónico estimula su translocación, mientras que el ácido eicosapentaenoico (EPA) inhibe su translocación. Por otro lado, los ácidos grasos ω-3, en general, disminuyen la transcripción de genes diana de NF κB, al disminuir la fosforilación de IκB. (disminuyen la respuesta inflamatoria mientras que el araquidónico la activan creo)
RECEPTORES ANÁLOGOS DE TOLL
Los TLR son receptores transmembrana implicados en la detección de agentes patógenos invasores y en la inducción de la respuesta inmunitaria con el fin de activar los mecanismos de defensa. En humanos se han identificado 11 TLR.
Los TLR reconocen patrones moleculares conservados en los microorganismos invasores como: lípidos, hidratos de carbono, proteínas y ácidos nucleicos. Cada TLR reconoce diferentes patrones moleculares.
Los TLR desempeñan un papel crítico en el desencadenamiento y regulación de la respuesta inmunitaria mediante la expresión de proteínas proinflamatorias, para conseguir la eliminación de los agentes patógenos invasivos.
La activación de los TLR se modula por distintos tipos de lípidos, incluidos los ácidos grasos, lo que sugiere que el riesgo de desarrollar una enfermedad inflamatoria crónica puede estar influido por la grasa consumida en la dieta.
La expresión de genes inflamatorios como COX-2 o iNOS es inducida por ácidos grasos saturados a través de TLR.
REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA POR AA
Los aminoácidos tienen efectos sobre la expresión génica a diferentes niveles. (directamente desde la estructura de la cromatina, en los procesos de transcripción, traducción e incluso pueden regular mecanismos postraduccionales)
En los promotores de algunos genes se han identificado elementos de unión específicos para FT que responden a cambios de concentración de aa: elementos de respuesta a aminoácidos (AARE) que estan en los genes
Los genes diana de estos aa tienen estos AARE en los promotores.
Los genes que están regulados por los aa son: (no hay que estudiarse los FT) (algunos activaran y otros inhibir)
genes del metabolismo
de respuesta inflamatoria
de proliferación y apoptosis.
La glutamina es más que un aa, es un portador de grupos amino, entonces el exceso de N se envia al hígado en forma de glutamina mientras que el músculo lo hace en forma de alanina.
ACCIÓN DE LA GLUTAMINA EN LA REGULACIÓN DE LA TRANSCRIPCIÓN:
Los estudios de genes que responden a glutamina y los factores de transcripción implicados permiten clasificar los efectos específicos en:
1. Acciones metabólicas: la glutamina estimula una serie de vías metabólicas como la síntesis hepática de lípidos, la síntesis de glucógeno, la gluconeogénesis y la síntesis de proteína en el músculo.
2. Efectos sobre la proliferación, la diferenciación y la supervivencia celular: la glutamina puede estimular la diferenciación celular en células pancreáticas, mediante un aumento en la expresión del gen Pdx1, gen esencial para la diferenciación y la función de las células β pancreáticas. Por otra parte, se ha demostrado que la depleción de glutamina da lugar a un descenso en la expresión de p53.
el p53 es un supresor de tumores: evita que nuestras células degeneren un proceso tumoral
3. Respuesta inflamatoria, los efectos antiinflamatorios de la glutamina se modulan a través del factor NF-κB (es capaz de inhibirlo). Así, la depleción de glutamina en líneas celulares de cáncer de mama conduce a una activación de NF-κB y la consiguiente expresión de la IL-8
REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA POR NUCLEÓTIDOS:
A nivel intestinal, los nucleótidos dietéticos regulan la proliferación y el recambio de las células intestinales. Así, dietas ricas en nucleótidos favorecen la expresión de los genes que codifican el transportador de nucleótidos pirimidínicos CNT1 y el de nucleótidos púricos CNT2, también se observa un aumento en la expresión del gen de la hipoxantina-guanina fosforribosiltransferasa, que participa en el metabolismo de las purinas.
A nivel de diferenciación, se ha observado que las dietas ricas en nucleótidos favorecen la expresión de genes para proteínas antiapoptóticas y de proteínas G que participan en determinadas rutas de transducción de señales.
A nivel hepático, se observa un patrón de expresión muy similar al descrito en intestino para CNT1 y CNT2. Esto podría tener una relevancia importante en procesos de regeneración hepática.
A nivel de las células sanguíneas, se observa un efecto específico de los nucleótidos sobre las células del sistema inmunitario, como linfocitos y macrófagos. En linfocitos, los nucleótidos estimulan la síntesis de citoquinas y la producción de inmunoglobulinas. Este hecho se ha observado en los recién nacidos alimentados con fórmulas lácteas suplementadas con nucleótidos.
En el sistema nervioso, los nucleótidos estimulan la proliferación de astrocitos y la proliferación neuronal, induciendo la expresión del factor de crecimiento nervioso (NGF)
REG EXPRESIÓN VIT A
En este grupo se engloban los retinoides y carotenoides. El más relevante a nivel de la expresión génicas es el retinol / ácido retinoico. El ácido retinoico es el ligando de los receptores nucleares de la familia RARs. Algunos derivados también pueden actuar como ligandos de los RARs y de otros receptores nucleares de la familia de los RXRs.
Los RARs funcionan generalmente como activadores transcripcionales. Los RXRs tienen una función activadora similar, pero además, pueden actuar como factores accesorios de otros receptores nucleares. Los heterodímeros RAR-RXR son las unidades transcripcionales más potentes.
La vitamina A desempeña un papel en muchas áreas del sistema inmunológico, particularmente en la diferenciación y proliferación de células T. También en procesos de hematopoyesis y diferenciación de queratinocitos
*Siempre actúan como dímeros (RAR) pero pueden ser como homo o como heterodímeros, en este segundo caso lo hacen con los RXR. Actúan como activadores.
REG EXPRESIÓN VIT D
El término vitamina D engloba a dos moléculas químicamente relacionadas: la vitamina D2 o ergocalciferol y la vitamina D3 o colecalciferol. La vitamina D2 proviene de alimentos de origen vegetal, mientras que la D3 proviene de las fracciones grasas de alimentos de origen animal (pescado azul, yema de huevo, mantequilla, lácteos enriquecidos). Ésta es la forma más abundante en la naturaleza y puede ser sintetizada en el hígado. De los muchos derivados el más activo es el calcitriol.
Los órganos diana donde actúan los metabolitos activos de la vitamina D son el riñón, el hueso, el intestino, la glándula paratiroidea, el hígado y la célula β-pancreática.
Uno de los receptores es intracelular y funciona como un receptor nuclear (VDRnuc) uniendo calcitriol. Los otros dos receptores (VDRmem) se encuentran en la membrana plasmática, estos receptores, tras la unión de su ligando correspondiente, desencadenan respuestas celulares rápidas, mientras que las respuestas en las que participa VDRnuc son más lentas.
VDRnuc pertenece a la gran familia de receptores nucleares, los cuales funcionan de manera muy similar. El ligando, por su naturaleza hidrofóbica, difunde a través de la membrana al interior celular donde se une al receptor, éste sufre un cambio conformacional provocando su dimerización y migrando al núcleo donde reconoce secuencias específicas en los promotores de los genes diana.
En el caso de VDRnuc, éste dimeriza con RXR y reconoce un elemento de respuesta a la vitamina D (VDRE) en los genes diana. (formando heterodímeros)
*Genes diana para la vitamina D son los del metabolismo del Ca.
