MARCATORI MOLECOLARI IN EPIDEMIOLOGIA

Annalisa Quattrocchi Dipartimento GF Ingrassia

Universit degli Studi di Catania

Catania, 14 Novembre 2013

Master Universitario in Monitoraggio e valutazione del rischio ambientale mutageno,

cancerogeno e teratogeno

1

2

PROGRESSIONE DEGLI EVENTI CHE CONDUCONO AL CANCRO AMBIENTALE

National Research Council (NRC), 1987

Uso delle risposte biologiche per lo studio del cancro associato allesposizione ambientale

BIOMARCATORI

Alterazioni cellulari, biochimiche e molecolari misurabili nei tessuti, nelle cellule e/o nei fluidi biologici, e vengono convenzionalmente classificate come:

misure di esposizione

misure di effetto

misure di suscettibilit

3

4

BIOMARCATORI

Definire accuratamente lesposizione

Un limite degli studi di epidemiologia ambientale costituito dallincertezza qualitativa e/o quantitativa sullesposizione ai cancerogeni

Lesposizione ambientale ed occupazionale comunque un evento frequentemente complesso e in ogni caso avviene anche decenni prima che la specifica patologia possa manifestarsi

BIOMARCATORI

5

LINQUINAMENTO DELLARIA E LA SALUTE PUBBLICA

Linquinamento atmosferico considerato un fenomeno complesso e mutevole

E uno dei principali fattori di criticit ambientale, in relazione:

agli effetti di ordine acuto che episodi particolarmente significativi di esposizione possono determinare

agli effetti cronici derivanti da esposizioni di lunga durata

in relazione ai danni che alcuni inquinanti atmosferici determinano, direttamente o indirettamente, al patrimonio storico e artistico, agli ecosistemi e alla vegetazione

Gli agglomerati urbani sono stati probabilmente la prima sede dinquinamento atmosferico dovuto alle attivit umane

6

Gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA) (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons PAH) sono inquinanti ubiquitari che vengono introdotti nellambiente in seguito ai processi di combustione incompleta dei materiali organici, come per esempio i processi di trattamento del carbone e del petrolio (raffinazione, gassificazione, produzione di coke), gli usi industriali del carbone e degli oli minerali (produzione di alluminio, ferro e acciaio, fonderie), il riscaldamento, gli incendi, gli inceneritori, il traffico autoveicolare, il fumo di tabacco e lattivit vulcanica

Gli IPA sono cancerogeni che richiedono unattivazione metabolica per reagire con le macromolecole cellulari (determinando la formazione degli addotti), il passo iniziale nel processo di cancerogenesi

Gli idrocarburi policiclici aromatici

7

Idrocarburi policiclici aromatici (IPA)

Gli IPA sono idrocarburi ad anelli benzenici condensati, ne esistono alcune migliaia che si differenziano per il numero di anelli, due o pi (a sei o a cinque atomi di carbonio) e per le combinazioni di ramificazioni alchiliche laterali

Tra questi composti hanno particolare rilevanza tossicologica, a causa della loro accertata mutagenicit e cancerogenicit, quelli derivati dallantracene, dal fluorantene e dal pirene

8

antracene

fluorantene

pirene Benzo[a]pirene Benzo[e]pirene

Sorgenti naturali: biosintesi effettuata dalle piante e dai batteri, dagli incendi dei boschi e dalle emissioni gassose durante le eruzioni vulcaniche

Attivit antropiche: residui di combustioni incomplete in impianti industriali, e delle emissioni degli autoveicoli

Fra gli impianti di riscaldamento la maggiore emissione di IPA si ha da quelli alimentati a legna

Idrocarburi policiclici aromatici (IPA): Sorgenti

9

Sono presenti ubiquitariamente in aria, dispersi sotto forma gassosa e sotto forma adsorbita al particolato Gli IPA contenenti quattro anelli, o un numero inferiore, in genere rimangono in forma gassosa quando vengono immessi nellatmosfera; gli IPA con pi di 4 anelli non permangono a lungo nellatmosfera, ma tendono a venire adsorbiti su particelle di fuliggine o di cenere Poich molte particelle di fuliggine hanno dimensioni tali da essere respirate, gli IPA possono penetrare nei polmoni mediante la respirazione

11

I gas ed il particolato emessi dagli scarichi degli autoveicoli a motore diesel, che recentemente sono stati indicati come probabili cancerogeni per luomo contengono non solo IPA, ma anche alcuni composti derivati che presentano il nitro-gruppo, NO2, come sostituente: composti ancora pi cancerogeni degli IPA corrispondenti E stato inoltre dimostrato che gli IPA si possono combinare con lacido nitrico dello smog fotochimico

NO2 NO2

O2N

Due IPA nitroderivati

Gli IPA possono essere presenti nellaria o nellacqua singolarmente o in miscela A causa della loro bassa solubilit nellacqua e dellalta affinit per le particelle non sono generalmente riscontrabili in elevate concentrazioni nelle acque Non vengono generalmente rilevati nellacqua oppure sono rilevati a basse concentrazioni

Assunzione degli IPA nelluomo

- Un apporto importante avviene attraverso latmosfera -IPA derivano anche dal fumo di sigaretta

- Un contributo significativo deriva dalla dieta Questi composti, infatti, si formano anche durante la cottura dei cibi a temperature troppo elevate (cibi grigliati, affumicati) I vegetali a foglia larga, come lattuga e spinaci, possono rappresentare una fonte ancora pi rilevante di IPA cancerogeni, per la deposizione di tali sostanze, trasportate con laria sulle foglie durante la crescita Contribuiscono significativamente anche i cereali consumati allo stato grezzo

I benzopireni sono idrocarburi (con base C20H12) della serie aromatica, policiclici a cinque anelli benzenici condensati I pi comuni sono il benzo(a)pirene (o 3,4-benzopirene) e il benzo(e)pirene (o 4,5-benzopirene) Il benzo(a)pirene una delle prime sostanze di cui si accertata la cancerogenicit Attualmente, in Italia regolamentata la concentrazione in aria del benzo(a)pirene (DM 25/11/94) quale indicatore del rischio cancerogeno per la classe degli IPA in aria urbana

Idrocarburi policiclici aromatici (IPA)

14

Tra gli idrocarburi policiclici aromatici alcuni, come il benzo[a]pirene sono noti come mutageni, cancerogeni e teratogeni (ossia tossici nel periodo dello sviluppo prenatale) In particolare il benzo[a]pirene considerato un composto rappresentativo che esercita tutti e tre i tipi di effetto tossico Alcuni IPA sono cancerogeni transplacentari come dimostrato in saggi biologici in grado di produrre tumori del fegato, del polmone, del tessuto linfatico e del sistema nervoso della prole

15

Per la popolazione generale, le maggiori vie di esposizione al B(a)P sono rappresentate dallinalazione dellaria ambientale o indoor e dallingestione attraverso lacqua e gli alimenti, con una notevole variabilit in funzione della dieta e dello stile di vita Dai dati riguardanti lassunzione dagli alimenti e dai livelli di IPA nellacqua potabile si pu stimare che circa l1% dellassunzione totale con la dieta derivi dal consumo di acqua potabile stimato in 2 L/die

Il meccanismo di cancerogenesi degli IPA

Gli IPA non sono di per s agenti cancerogeni, ma lo sono alcuni derivati in cui essi vengono convertiti dallorganismo nel tentativo di renderli idrosolubili, e quindi pi facilmente eliminabili

O

O

H2O

HO

OH

HO

OH

HO

OH

O

Trasformazioni metaboliche del benzo[a]pirene

La prima trasformazione la epossidazione nelle posizioni 7,8

Benzo[a]piren-7,8-ossido

Lepossido subisce un attacco nucleofilo da parte dellacqua, con formazione di un diolo, pi idrosolubile e quindi pi facilemente eliminabile

Benzo[a]piren-7,8-diidro-7,8-diolo

Una parte delle molecole del diolo vengono ulteriormente epossidate regio- e stereoselettivamente.

Si ritiene che sia questo diolo epossido la specie effettivamente cancerogena

benzo(a)pirene-7,8-diidrodiolo-9,10-diidrodiossido,

Il derivato dellIPA si lega al DNA

HO

OH

O

O

NN

NN

NH2

O

H

O

H

H

H

H

P

O

-O

O-

HO

OH

O

NN

NN

NH

O

H

O

H

H

H

H

P

O

-O

O-

HO

Il diolo epossidico viene legato al DNA attraverso attacco

nucleofilo, ad esempio da parte della adenina

Lattacco covalente del grosso residuo idrocarburico

rappresenta un evidente danno per il DNA

Questo danno provoca delle mutazioni e, con le mutazioni,

una maggiore probabilit di cancerogenesi

benzo(a)pirene-7,8-diidrodiolo-9,10-diidrodiossido,

Addotti IPA-DNA

Gli addotti IPA-DNA forniscono una misura del rischio potenziale di cancro perch rappresentano un passaggio critico nel processo di cancerogenesi e sono stati associati al rischio di cancro sia in studi sperimentali che nella ricerca epidemiologica osservazionale Gli addotti Benzo[a]pirene-DNA costituiscono una stima del danno al DNA da IPA e riflettono la variazione individuale nellesposizione, assorbimento, attivazione metabolica e riparazione del DNA, fornendo un dosimetro biologico individuale ed un marcatore del rischio

20

21

Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 2005

Addotti IPA-DNA

Dati comparativi sui livelli di IPA-DNA nel sangue di madre e neonato sono stati studiati in 4 coorti: Residenti a Manhattan Partecipanti allo studio degli effetti del disastro del World Trade Center (WTC disaster) Residenti a Cracovia, Polonia Residenti a Tongliang, Cina (CENTRALE ELETTRICA A CARBONE al centro della citt)

22

Le coorti sono state scelte per rappresentare il range di esposizione ambientale agli inquinanti da combustione nellaria atmosferica in tutto il mondo o, nel caso dello studio sul disastro del WTC, per acquisire nuovi dati da un evento totalmente nuovo

Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 2005;14(3

Addotti IPA-DNA

23

I dati disponibili sul monitoraggio dellaria indicano livelli medi di benzo[a]pirene che vanno da 0.5 ng/m3 a New York City (NYC) sino a >15 ng/m3 a Tongliang La coorte del disastro del WTC potrebbe avere una esposizione agli IPA maggiore della coorte di Manhattan a causa degli incendi del WTC Pertanto, le 4 coorti rappresentano un range di esposizione (30-fold range)

Northern Manhattan < WTC < Krakow < Tongliang

Cancer Epidemiol Biomarkers Prev 2005;14(3

Addotti IPA-DNA

24

OBIETTIVI Determinare se i livelli di addotti al DNA differiscano nelle coorti in maniera coerente con il trend di esposizione ambientale stimata

Studiare la potenziale diversa suscettibilit del feto al danno genetico e quindi al rischio di cancro rispetto alla propria madre

25

26

All subjects in the four cohort studies are self-reported nonsmokers All subjects were interviewed prenatally using a questionnaire to elicit environmental and health histories, including exposure to tobacco smoke at home or work and dietary ingestion of PAH via smoked, broiled, barbecued, and grilled foods

ETS: Environmental Tobacco Smoke

METHODS

Briefly, a total amount of 100 mg DNA was used for each analysis. Many precautions were taken to avoid the presence of fluorescent contaminants: the absence of any fluorescent material in the purified HCl was checked by high performance liquid chromatography (HPLC); tubes, HPLC syringes, and other equipment were washed many times with HPLC-grade methanol; and a blank injection was done before each sample was subjected to HPLC analysis

27

RISULTATI: MADRI

28

Among the mothers, there also was a significant trend across the four populations: Northern Manhattan < WTC < Poland < Tongliang t test for trend and regression analysis both, p< 0.001

RISULTATI: NEONATI

29

Risultati

NEONATI: la popolazione del Northern Manhattan non differisce significativamente dalla popolazione del WTC, ma entrambi i gruppi di neonati presentano valori significativamente pi bassi dei neonati delle popolazioni polacche e cinesi (p < 0.003) MADRI: c un significativo trend tra le quattro popolazioni

Northern Manhattan < WTC < Poland < Tongliang t test for trend e analisi di regressione, p < 0.001

30

In tutte le popolazioni, i livelli di addotti nei neonati sono simili o pi alti di quelli delle rispettive madri, nonostante basandosi su dati di laboratorio di esperimenti su animali, si stimi una dose 10 volte pi bassa nel feto Nel Northern Manhattan, gli addotti sono significativamente pi alti nei neonati rispetto alle madri (p = 0.03, by paired Wilcoxon test); ma gli altri tre confronti neonati/madri non sono significativi

Risultati

31

Un limite di queste analisi che le quattro popolazioni sono di differente etnia e il contributo di questo fattore alle differenze osservate non stato considerato Esistono dati limitati sulleffetto della razza/etnia sul pathway molecolare nella formazione degli addotti e il cancro nelluomo, ma i polimorfismi genetici coinvolti nel metabolismo e nella riparazione del DNA potrebbero influenzare entrambi gli outcome

Limiti

32

Conclusione

Lo studio ha mostrato che allinterno del range di livelli di

esposizione considerati:

- non esiste un valore soglia al di sotto del quale non si formino

addotti al DNA, nel range di esposizione studiato

- gli addotti generalmente aumentano allaumentare del

gradiente di esposizione, nelle madri e nei neonati

- anche bassi livelli di esposizione determinano la formazione di

addotti e quindi allaumentare di questi c un incremento del

rischio di cancro nelle madri e nei bambini

33

Conclusione

Lo studio ha mostrato inoltre che il livello di danno genetico

misurato tramite i livelli di addotti IPA-DNA nel feto

consistentemente pi elevato nel feto che nella madre

In conclusione si evidenzia la necessit di programmi

internazionali di prevenzione ambientale per proteggere le

donne in et fertile ed i loro bambini dal danno genetico da IPA

34

Numero di copie di MtDNA ed esposizione occupazionale al benzene

35

Benzene C6 H6

Idrocarburo aromatico incolore, liquido e infiammabile

utilizzato come antidetonante anche nelle benzine cosiddette verdi

36

E un importante inquinante ambientale Lesposizione al benzene aumenta il rischio di anemia aplastica, leucemia ed altri disordini del sangue I metaboliti del benzene, chinoni reattivi, sono capaci di legarsi fra di loro e danneggiare le macromolecole, incluso il DNA I metaboliti del benzene possono dare origine a specie reattive dellossigeno (ROS) che possono agire sulle funzioni mitocondriali

BENZENE

37

Il benzene stato definito cancerogeno certo dalla International Agency for Research on Cancer (IARC)

Appartiene al gruppo 1 in quanto esso causa dapprima danni:

1. Ematologici

2. Genetici

3. Cancro sottoforma di leucemia

Non descritto in letteratura alcun effetto acuto attribuibile allesposizione al benzene alle basse concentrazioni caratteristiche dellinquinamento urbano

Sono invece ampiamente documentati gli effetti conseguenti allesposizione prolungata nel tempo

Benzene C6 H6

38

Generano energia per le cellule tramite la sintesi di adenosina 5 trifosfato (ATP) I ROS provenienti da sorgenti esogene, cos come i metaboliti del benzene, possono danneggiare questa catena di trasporto degli elettroni e quindi anche il DNA mitocondriale (mtDNA) Il DNA mitocondriale pi suscettibile al danno rispetto al genoma nucleare, in quanto il mtDNA non presenta introni e manca degli istoni protettivi

Mitocondri

39

Ci sono pochi elementi disponibili circa gli effetti che il benzene pu avere sui mitocondri e il mtDNA Lesposizione al benzene pu spostare lequilibrio tra ossidanti e antiossidanti che porta allo stress ossidativo e al danno cellulare Pu aumentare la produzione dei ROS nei mitocondri e il rischio di leucemia e altre neoplasie benzene-connessi

Effetti del benzene sui mitocondri e sul mtDNA

40

OBIETTIVO Studiare in uno studio occupazionale cross-sectional lipotesi che i mitocondri e lmtDNA sono coinvolti nella tossicit correlata al benzene

41

Popolazione in studio e valutazione dellesposizione

40 lavoratori esposti al benzene (20: > 10 ppm and 20: 110 ppm) 40 controlli frequency-matched per sesso ed et Prelievo di sangue da tutti Ii oggetti Lesposizione individuale al benzene e toluene, cos come ad altri solvento organici, stata monitorata ripetutamente per 16 mesi (CAMPIONAMENTO PASSIVO E SUCCESSIVA MISURAZIONE NELLE URINE)

42

mtDNA Assay

Il DNA estratto dai leucociti (phenol/chloroform) stato utilizzato per determinare il numero di copie di mtDNA mediante fluorescence-based quantitative PCR Primers for the PCR determined both the nuclear gene b-globin and the mitochondrial gene ND1 threshold cycle number (Ct)

43

Risultati

Caratteristiche demografiche simili tra gli esposti e i non esposti I soggetti sono stati confrontati tenendo conto del consumo di alcol, infezioni recenti, fumo e body mass index 44

White blood cells (WBCs) and most WBC subtypes, as well as the platelet counts, were reduced in benzene-exposed workers compared with controls, especially in high exposed workers Il numero di copie di mtDNA era di 117 (SD: 32) nei controlli e aumenta del 4% e del 15% nei lavoratori esposti a 10 ppm e a >10 ppm di benzene

Risultati

45

DISCUSSION

In this study, we found that the mtDNA copy number was increased proportionally with benzene exposure level, which may be a biological adaptation in response to the oxidative stress caused by benzene It may also indicate benzene-induced damage to mitochondria that is relevant to benzene-induced hematotoxicity It may be a biological marker of response to benzene exposure

46

DISCUSSION When physiological conditions are changed, the mtDNA copy

number can be modulated ROS and free radicals generated by environmental exposures (e.g., UV radiation, cigarette smoke, and air pollutants) and xenobiotics (e.g., drugs and betal quid) may induce the accumulation of mtDNA mutations in human tissue Oxidative stress-induced increase in mitochondria and mtDNA molecules may compensate for the decline of mitochondrial respiratory function. At the same time, ROS would be generated from the increased mitochondria in these cells. Consequently, it can cause more oxidative damage to mitochondria and other intracellular constituents

47

CONCLUSION

This is the first report that benzene exposure was associated with increased mitochondria DNA copy number Benzene exposure may induce mtDNA amplification, possibly in response to oxidative stress caused by benzene The finding needs to be replicated by other studies

48

DNA mitocondriale come biomarker deffetto: dallesposizione al benzene nelluomo

al modello sperimentale in Armadillo officinalis

49

Nelluomo lesposizione al benzene pu: - provocare danno cellulare - indurre amplificazione del DNA mitocondriale (mtDNA) in risposta allo stress ossidativo per compensare il danno sui mitocondri

Il numero di copie di mtDNA pu costituire un biomarcatore di effetto allesposizione al benzene

50

OBIETTIVI

Validare lutilizzo di Armadillo officinalis come bioindicatore dellesposizione al benzene mediante un modello di studio sperimentale Obiettivo specifico: - mettere a punto un protocollo per la valutazione dellaumento del numero di copie di mtDNA in campioni di A. officinalis allaumentare delle esposizione al benzene

Armadillo officinalis Dumril, 1816

Gli isopodi terrestri sono organismi molto sensibili alle variazioni macro- e micro-climatiche e sono proposti come validi bioindicatori della qualit dellambiente

51

DISEGNO DELLO STUDIO

0,5 mg/m3 5 mg/m3 50 mg/m3 Controllo non trattato

Estrazione del DNA

Amplificazione mediante Real-Time PCR

52

RISULTATI

gene 16S

Trend allaumento del numero di copie di mtDNA nei gruppi trattati a livelli crescenti di esposizione al benzene

PCR qualitativa

7900HT Fast Real-Time PCR System

(Applied Biosystems, USA)

Well Sample Name Ct

20 15 5.0 ng (50 litri) 27,421516

21 15 5.0 ng (50 litri) 27,675344

22 6 5.0 ng (18.8 litri) 24,77019

23 6 5.0 ng (18.8 litri) 24,665388

24 13 5.0 ng (18.8 litri) 23,136648

25 13 5.0 ng (18.8 litri) 23,383152

26 4 5.0 ng (11 litri) 20,692245

27 4 5.0 ng (11 litri) 20,707785

28 11 5.0 ng (11 litri) 19,213957

ESPO

SIZION

E

53

Risultati

Epatopancreas

Gruppo C:

Benzene 50 mg/m3

Gruppo A:

Benzene 0,5 mg/m3

Gruppo Controllo:

Non trattato

Gruppo B:

Benzene 5 mg/m3

Risultati

Altri organi e

tessuti

Gruppo Controllo:

Non trattato

Gruppo A:

Benzene 0,5 mg/m3

Gruppo B:

Benzene 5 mg/m3

Gruppo C:

Benzene 50 mg/m3

CONCLUSIONE

Possibilit di validare il nostro modello sperimentale e proporre A. officinalis come bioindicatore per il monitoraggio degli effetti del benzene per: - valutare e controllare la qualit dellambiente - evidenziare le correlazioni esistenti per la salute delle popolazioni umane che insistono sullo stesso ambiente

56

Abbiamo quindi eseguito una quantificazione mediante PCR end-point

ed stato evidenziato che, in campioni di epatopancreas, allaumentare

dellesposizione al benzene aumenta il numero di copie di mtDNA.

Questa correlazione non invece identificabile nei campioni ottenuti

dal resto degli organi e tessuti

L'epatopancreas, essendo il pi importante organo detossificatore di

questi organismi, risulta essere maggiormente suscettibile ai danni

causati dall'esposizione al benzene mostrando un aumento del numero

di copie di mtDNA parallelamente all'aumento dell'esposizione allo

xenobiotico

Discussione e Conclusioni

Gli Isopodi rispondono rapidamente alle contaminazioni ambientali

quindi alcuni ricercatori hanno usato gli isopodi per valutare la qualit

dell'ambiente

I risultati ottenuti nel presente studio confermano l'importanza di A.

officinalis come bioindicatore utilizzabile per la valutazione

dell'inquinamento ambientale, ma rivelano anche la necessit di

approfondire le conoscenze riguardo a questi organismi, soprattutto in

merito al miglioramento delle tecniche di estrazione del DNA

Discussione e Conclusioni

La presenza nell'ambiente di xenobiotici biologicamente attivi

rappresenta uno stress spesso inaccettabile per gli organismi viventi.

Attraverso lecosorveglianza si propone la quantificazione delle sostanze

inquinanti nei fluidi biologici, nelle piante e negli animali e la

valutazione degli effetti che le suddette sostanze producono

Delezioni del DNA Mitocondriale come marcatore genetico

59

Mitochondrial DNA - mtDNA

DS circular molecule of 16.5 kb

Contains genes required for respiratory chain

Involved in many intracellular

metabolic pathways

Provide energy to the cell through oxidative phosphorylation

Mitochondria

Mitochondrial DNA

Mitochondrial DNA (mtDNA) is vulnerable to oxidative injuries due to the proximity of generated reactive oxygen species (ROS) and a low level of DNA repair

mtDNA damage including mutations and/or rearrangements are considered to play an important role in the pathology of human disease

61

Mutazioni Singole consistono in delezioni o inserzioni a carico del DNA presente nei mitocondri

La divisione clonale dei mitocondri determina il propagarsi di queste mutazioni

Mutazioni Multiple possono accumularsi nei tessuti post mitotici dei pazienti con mutazioni ereditarie nei geni nucleari, come Polimerasi Gamma del genoma mitocondriale (POLG1), coinvolta nella stabilit del DNA

Mutazioni del mtDNA

Le mutazioni multiple del mtDNA sono state osservate in molti tessuti

Mitochondrial DNA deletions

Among various types of multiple mtDNA deletions, largescale deletions of mtDNAa 4977-bp deletion in humans and a 4834-bp deletion in rodents were commonly found to accumulate in aging tissues in humans and tumor specimens

As mtDNA deletions accumulate beyond a certain threshold, these mt genetic lesions are associated with pathological and physiological defects including oxidative injuries, respiratory dysfunction, and tissue injuries

63

Un saggio di delezioni del mtDNA e carenza di folati effettuato su campioni di sangue venoso pu servire come marker utile per monitorare la correlazione tra folati e genotossicit del mtDNA

Quando le delezioni del mtDNA si accumulano al di l di una certa soglia, queste mutazioni sono associate a difetti patologici e fisiologici tra cui lo stress ossidativo, disfunzioni nella catena respiratoria e lesioni dei tessuti

La carenza di Folati provoca sia lesioni al DNA cromosomico e mutazioni del DNA mitocondriale

ACIDO FOLICO

Folati: composti ad attivit vitaminica correlati con lacido folico (AF) Lacido folico, unica forma attiva dei folati alimentari assorbiti dallorganismo, una vitamina idrosolubile necessaria per tutte le reazioni di sintesi, riparazione e metilazione del DNA, nel metabolismo dellomocisteina e di altre importanti reazioni biochimiche Per questo motivo sia i bambini che gli adulti necessitano di acido folico per produrre normalmente i globuli rossi e prevenire forme di anemia

LAF o acido pteroilglutammico una vitamina del gruppo B, la B9 LAF si compone, strutturalmente, dell'unione di tre molecole: 6-metilpterina, acido p-aminobenzoico (PABA) ed acido glutammico

http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=6-metilpterina&action=edit&redlink=1http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=6-metilpterina&action=edit&redlink=1http://it.wikipedia.org/w/index.php?title=6-metilpterina&action=edit&redlink=1http://it.wikipedia.org/wiki/Acido_p-aminobenzoicohttp://it.wikipedia.org/wiki/Acido_p-aminobenzoicohttp://it.wikipedia.org/wiki/Acido_p-aminobenzoicohttp://it.wikipedia.org/wiki/Acido_glutammicohttp://it.wikipedia.org/wiki/Acido_glutammico

Ciclo Biochimico della Metionina

Lacido folico pi stabile al calore rispetto gli altri folati presenti negli alimenti e per questo motivo viene usato in moltissimi paesi per fortificare le farine alimentari Grazie a questa pratica stata ridotta in modo assolutamente evidente lincidenza delle malformazioni neonatali: Quelle a carico del sistema nervoso centrale come i DTN Malformazioni del cranio e malformazioni cardiache

I dati embriologici sottolineano limportanza dellapporto di folati in epoca periconcezionale nel ridurre linsorgenza di queste anomalie Nelle donne che intendono concepire, in Italia, fortemente raccomandata lassunzione di 0,4 mg al giorno di AF In casi selezionati a scopo profilattico, si raccomandano dosaggi pi elevati: 4-5 mg al giorno La prevenzione delle malformazioni fetali e dei DNT prevede lassunzione di acido folico alle dosi previste: un mese prima e fino tre mesi o pi dopo il concepimento

DOVE TROVARE I FOLATI :

Il 20% di AF, che non viene sintetizzato dallorganismo, deve essere assunto giornalmente con la dieta, il rimanente viene prodotto dalla flora batterica intestinale I cibi pi ricchi di tale vitamina sono: vegetali a foglia verde come gli spinaci la frutta come le arance e il pompelmo i fagioli, le arachidi, i germi di grano e di mais, il lievito di birra e il fegato Tuttavia, va considerato che la cottura distrugge circa il 90% della vitamina contenuta negli alimenti

Caratterizzare le delezioni del mtDNA nei linfociti in relazione alla carenza di folato e valutare la loro associazione con le patologie connesse alle

mtDNA deletions in vari tessuti tramite real-time PCR

La dieta integrata con 8 mg acido folico/kg stata designata come dieta di controllo Ratti maschi Wistar appena svezzati (n=18) sono stati suddivisi a random ed alimentati con una dieta FD (Folate-Deficient) e una dieta controllo. Entrambi i regimi alimentari si sono protratti per 2 e 4 settimane (periodo di alimentazione), i ratti sono stati sacrificati per la raccolta del sangue e dei tessuti

Linfociti Polmone

Stomaco Muscolo Intestino

Relazione tra livelli di folati nel citosol e nel mitocondrio di ratti alimentati con diete controllo e dieta FD

Livelli di Folati nei linfociti e nei vari tessuti di ratti di controllo e alimentati con una dieta folate-deficient (FD)

Tramite confronto con i controlli, 2 settimane di dieta FD ha portato ad un aumento di 2.5 volte della frequenza di delezioni del mtDNA nei linfociti di ratto (P< 0.05)

Dopo aver consumato la dieta FD per 4 settimane, i linfociti di ratti con delezioni del mtDNA avevano accumulato fino a 3.5 volte il valore del controllo

Discussione

Laccumulo di mtDNA deletions nei linfociti sono stati osservati nelle prime 2 settimane di dieta priva di folati e rilevabili anche dopo 4 settimane di carenza di folati. Tutto ci suggerisce che le mtDNA deletions nei linfociti possono essere considerati utili biomarcatori

Carenza di Folati

mtDNA deletions nei Linfociti

mtDNA deletions nei tessuti periferici

In carenza di folato nella dieta, l'accumulo di delezioni del DNA mitocondriale stata osservata simultaneamente nei

tessuti come il cervello, fegato, cuore, reni, pancreas, e muscoli

La carenza di folati pu interessare in generale tutti gli organi dei mammiferi, tra cui linfociti e tessuti periferici caratterizzati da un elevato stress ossidativo (fegato e tessuto muscolare), tutto ci pu causare gravi patologie correlate allinstabilit del mtDNA

Lalta sensibilit del mtDNA agli stress ossidativi e l alta quantit di mutazioni che accumula nelle lesioni neoplastiche lo promuovono come marker di abberazioni genomiche. Recenti studi dimostrano che l insufficienza di folati sia associata con linstabilit del mtDNA e che tutto ci favorisca la carcinogenesi

Recenti studi prospettivi a cooorte dimostrano un associazione tra bassi livelli ematici di folati con lincremento del rischio di danni al fegato e di carcinoma epatocellulare (HCC) In questo studio lobiettivo quello di andare a monitorare le delezioni del mtDNA nei linfociti umani in relazione al livello di folati ematici Quest ipotesi stata validata con uno studio caso-controllo effettuato su 90 pazienti affetti da HCC e da 90 controlli divisi per sesso ed et

SCOPO DELLO STUDIO

MATERIALI E METODI

Per evitare bias: Casi e controlli sono stati reclutati nella medesima area geografica I controlli sono stati selezionati tra i non affetti da epatocarcinoma e inoltre privi di infezioni virali, malattie croniche al fegato, non facenti abuso di alcool

Determinazione livello folati nei linfociti: - Estrazione linfociti dal sangue - Lisi cellulare - Quantificazione concentrazione folati tramite ELISA READER Analisi delle delezione del mtDNA tramite real-time PCR - Amplificazione dei geni ND1 (livelli delezioni basse) e di ND4 (livelli delezioni elevati) mediante lutilizzo di primers e probes specifici - Quantificazione delle delezioni mediante la formula:

RISULTATI Associazione tra delezioni dellmtDNA nei linfociti e livelli di folati nel sangue con rischio di HCC

Conclusione

I dati ricavati mostrano che, individui con alte frequenze di delezioni del mtDNA dei linfociti hanno un aumento del rischio di sviluppare lHCC (OR 77, 95% CI 198, 299; P=0003) Laccumulo delle delezioni al mtDNA possono causare Alterata sintesi delle mt proteine Malfunzionamento della catena respiratoria Eccessiva produzione di ROS

Dai dati si evince che nei soggetti studiati (n=180) il numero di delezioni dellmtDNA inversamente proporzionali al livello dei folati nel siero (r -0155; P=0041) e nei linfociti (r -0314; P=00001).

Mitochondrial genomic stability and folate status in lymphocytes of

healthy women of childbearing age

mtDNA4977 bp common deletion (CD)

The deletion is flanked by a pair of 13-bp direct repeats locating at nucleotide positions 8,4708,482 and 13,44713,459

The CD-mtDNA removes a region, encoding:

- five tRNA genes;

- seven genes involved in oxidative phosphorylation, such as ATPase 8, ATPase 6 cytochrome oxidase IIINADH dehydrogenase subunit (ND3, ND4, ND4L and ND5)

More frequent in tissues with high metabolic rate and low proliferative index

Delezione mtDNA4977 bp

Interessa una regione di 4977 bp (dal nucleotide 8.470 al 13.477) e comprende geni coinvolti nella fosforilazione ossidativa, tra cui varie subunit della NADH deidrogenasi (ND3, ND4, ND4L e ND5)

ND4 spesso assente

ND1 raramente assente

pi frequente nei tessuti con alto tasso metabolico e basso indice proliferativo

Il 31% dei fumatori e solo il 23% dei non fumatori presentavano almeno una mutazione somatica del mtDNA nelle cellule buccali: in particolare la delezione 4977 stata rilevata nel 4,8% dei fumatori e nel 3,3% dei non fumatori La densit di mutazioni somatiche dellmtDNA (numero di mutazioni/10000 bp per individuo), significativamente pi alta nei fumatori (0.68) rispetto ai non fumatori (0.20) Differenza statisticamente significativa nei profili di mutazioni tra fumatori e non fumatori Questi risultati indicano che lesposizione al fumo di sigaretta influenza in misura maggiore lmtDNA delle cellule buccali dei fumatori

X2:: 23.21 (p

Quando le delezioni del mtDNA si accumulano al di l di una certa soglia, queste mutazioni sono associate a difetti patologici e fisiologici :

stress ossidativo disfunzioni nella catena respiratoria lesioni ai tessuti

Obiettivi

Descrivere le caratteristiche generali della popolazione in studio, anche in riferimento allo stato nutrizionale

Caratterizzare la presenza e la distribuzione della delezione mtDNA4977 nei linfociti delle donne arruolate nello studio, in relazione allo stato di gravidanza, allet, allo stato nutrizionale e alle altre caratteristiche rilevate

Studio trasversale condotto su 476 donne sane in et fertile

Questionario (dati anagrafici e antropometrici, stile di vita)

Estrazione del DNA da sangue intero mediante Illustra blood genomicPrep Mini Spin Kit (GE Healthcare)

Real-time PCR relative-quantitative, of genes ND1 and ND4 to evaluate gene amounts and to obtain gene deletions value Use of specifics forward primer (L34853504), reverse primer (H35323553) for ND1 and ND4 genes

Specifics probes for ND1 and ND4 genes labeled with FAM e JOE fluorochromes

Quantification of deletion

ND1 rarely absent (CONTROL)

ND4 often absent (TARGET GENE)

Analisi delle delezione del mtDNA tramite real-time PCR - Amplificazione dei geni ND1 (livelli delezioni basse) e di ND4 (livelli delezioni elevati) mediante lutilizzo di primers e probes specifici mediante Real-Time PCR quantitativa relativa

7900HT Fast Real-Time PCR System

(Applied Biosystems, USA)

2 min a 50C

10 min a 95C

40 cicli di denaturazione a 95C per 15 e annealing-extension a 60C per 1

Quantificazione mediante saggio TaqMan

Le sonde TaqMan sono sonde ad ibridazione, specifiche per il frammento di interesse, marcate con molecole fluorescenti

Come i primers della PCR, vengono disegnati per essere complementari alla sequenza bersaglio da amplificare La sonda disegnata in modo da ibridarsi allinterno del frammento amplificato nella reazione di PCR

Costituita da un oligonucleotide che contiene allestremit 5 un marcatore fluorescente chiamato reporter e al 3 un quencher (un gruppo colorante in grado di mascherare lemissione luminosa)

Durante il processo di amplificazione lattivit esonucleasica 5-3 della Taq-polimerasi scalza la sonda determinando la separazione del reporter dal quencher, con una conseguente emissione di fluorescenza

ND4 fornisce una stima delle delezioni ND1 il controllo endogeno

Per ogni campione il confronto tra i due geni stato effettuato attraverso i Ct (threshold cycle number) ottenuti dalla corrispondente curva di amplificazione

Ct = CtND4 - CtND1

Quantificazione delle delezioni mediante la formula:

Un valore positivo di Ct indica una diminuita quantit del gene ND4 rispetto a ND1

Maggiore il valore di Ct maggiore il livello di delezioni

Visualizzazione risultati mediante il software Sequence Detection System (SDS)

Results

Mean Age 28,4 years

Range 14-49 years

29,0%

26,5%22,7%

21,8%14-23 years

23-28 years

28-35 years

35-49 years

Sigarette smoke

42,0%

58,0%

Smokers

Non-smokers

Pregnant status

49,4%

50,6%

Pregnant

Non-pregnant

52,3%25,3%

15,8%6,5%

Nutritional status (BMI)

Normalweight

Overweight

Obese

Underweight

41,1%

Use of folate supplements60,8%

39,2%

Use

Non-use

0%

20%

40%

60%

80%

100%

Pregnant women Non pregnant women

88%

17%

12%

83%

Folate intake

Inadequate

Adequate

Variables t P- value

Age 1st quartile (14 23 years)

Age 2nd quartile (>23 28 years)

Age 3rd quartile (>28- 35 years)

Age 4th quartile (>35 49 years)

1.27

1.25

1.20

1.21

> 0,05

Current smokers

Non-smokers

1,21

1,26

0,288

Normal weight

Non normal weight

1,27

1,19

0,122

Pregnant status

Non-pregnant status

1,23

1,24

0,958

Supplement consumers

Non-Supplement consumers

1,19

1,25

0,301

Inadequate folate intake

Adequate folate intake

1.03

1.06

0.333

Mean level of lymphocytic mtDNA deletions of the women in study was = 1.24

Variables

Number of

women Mean DCt (SD) p-value

Age 1st quartile (14-23 years) 124 1.24 0.51

0.67 Age 2nd quartile (24-28 years) 125 1.28 0.54

Age 3rd quartile (29-34 years) 111 1.20 0.51

Age 4th quartile (35-49 years) 105 1.23 0.52

Age 27 years (median value)

Age > 27 years

233

232

1.28 0.54

1.20 0.51 0.09

Smokers 196 1.21 0.50 0.29

Non-smokers 266 1.26 0.54

Inadequate folate intakea 213 1.21 0.49 0.20

Adequate folate intake 252 1.27 0.55

Folate deficiencyb

No folate deficiency

243

222

1.04 0.26

0.99 0.26 0.22

Pregnant 229 1.24 0.52 0.96

Non-pregnant 236 1.24 0.53

Underweight and normal weightc 301 1.29 0.55

Population characteristics

and variables

DCt below the

median valuea

(Nb)

DCt above the

median valuea

(Nb)

Multivariate analysis

p OR (CI 95%)bc

Age (below the median value: 27 years) 46.8% (109) 53.4% (124) 0.77 1.09 (0.62-1.89)

Smokers 46.1% (107) 38.7% (89) 0.92 0.97 (0.57-1.65)

Pregnant 48.9% (114) 49.6% (115) 0.25 1.68 (0.70-4.03)

Overweight and obese 38.6% (90) 31.9% (74) 0.32 0.75 (0.43-1.32)

Inadequate folate intake 46.8% (109) 44.8% (104) 0.55 1.52 (0.39-6.00)

Folate deficiency 52.1% (155) 52.7% (88) 0.18 1.52 (0.83-2.80)

Supplement non-users 55.8% (130) 53.0% (123) 0.33 0.46 (0.10-2.18)

Homozygous 677TT mutated genotype 22.4% (59) 18.0% (36) 0.43 1.27 (0.71-2.27)

Multivariate analysis for mtDNA 4977-bp deletion levels (DCt)

no effect of folate deficiency on mitochondrial genomic stability was found

Discussione

Il range det delle donne reclutate piuttosto ristretto e let media bassa, quindi eventuali differenze relative allaccumulo delle delezioni del mtDNA con let potrebbero non essere state identificate

Il livello di delezioni del mtDNA nei linfociti di donne sane troppo basso per causare effetti biochimici significativi

Il basso livello di delezioni osservato potrebbe essere dovuto in parte al veloce turnover delle cellule del sangue

Discussione

Non stata osservata uninfluenza statisticamente

significativa del fumo o dello stato nutrizionale sulle delezioni del DNA mitocondriale

Tutto ci potrebbe essere dovuto ad unelevata capacit

delle cellule nucleate del sangue di riparare velocemente i danni dellmtDNA (von Wurmb-Schwark et all. 2010)

I risultati riportati nello studio potrebbero essere utilizzati come termine di confronto in successivi studi su popolazioni affette da patologie, per le quali la delezione potrebbe costituire un biomarcatore di esposizione o di effetto