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Nutriomic - komplexe Analyse der Interaktion zwischen Ernährungsumwelt und biologischer Individualität Frank Döring Biogenese, Technogenese Lebensmittel Ernährungsumwelt Mensch (...om) Gesundheit/ Krankheit Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

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Nutriomic - komplexe Analyse der Interaktion zwischen Ernährungsumwelt und biologischer

IndividualitätFrank Döring

Biogenese, Technogenese

Lebensmittel

Ernährungsumwelt

Mensch (...om)

Gesundheit/ Krankheit

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

DNA-Chip-Technologien gehören zur neuen Biologie als big science

...omics Vollständige(r)...

genomics ... Sequenzierung der Genome

phylogenomics ... Vergleich der Genome verschiedener Spezies

? ... Vergleich der Genome innerhalb einer Spezies

transcriptomics ... Erfassung der mRNAs in Zellen/Geweben

proteomics ... Erfassung der Proteine in Zellen/Geweben

structural genomics ... Aufklärung der 3-D-Struktur von Proteindomänen

? ... Identifizierung der Protein-Protein-Interaktionen

phenomics ... Aufklärung der Genfunktionen (functional genomics)

operomics ... Kombination aller ... omics zur Systembeschreibung

Manfred Eigen: Biologie als big science

Beginn der Biologie als big science: Renato Dulbecco 1986„...we must now concentrate on the cellular genome.“

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) Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

3333´́́́5555´́́́

Zelle

hnhnhnhn----RNARNARNARNA

mRNAmRNAmRNAmRNA

DNADNADNADNA

Vom Genom zur Funktion - Reduktion von Komplexität ?

Komplexom100-1000

Proteinkomplexe

Transkriptom5.000-10.000 mRNAs

Genom3 x 109 Basen

30.000-40.000 Gene

Polymorphom1 Base/1000 Basen

Proteom5.000- 10.000 Proteine

C-C-N

N-C-C

Metabolom100-1000 (?) Metabolite

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

-3´-ATGCCCACAATT...-5´

-3´-ATGGGGCGGTAT...-5´

5´-...TACGGGTGTTAA...-3´

5´-...TACCCCGCCATA...-3´

markierte DNA/RNA-Stränge

5´-..TACGGGTGTTAA...-3´

5´-..TACCCCGCCATA...-3´

Zellen/Gewebe

Nachweis von >103 DNA/RNAs

- simultan

- semiquantitativ

- spezifisch (1 Base!!)

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)

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

74 Individuen

Isolation genomischer DNA

Amplifizierung, Markierung, Fragmentierung der DNA von

75 Kanditaten-Genen für die Blutdruckregulation

SNP-Analyse mit 9 DNA-Chips und

2.500.000 Gensonden

190.000 Basen (50 % codierend)

874 SNPs (0.5 %)

387 SNPs codierend (44 %)

z. B. 17 SNPs im Angiotensinogen-Gen

207 SNPs führen zuAminosäure-Substituionen

Ermittlung individueller

Prädisipositionen zur Hypertonie

und Salzsensitivität

Single-nucleotide Polymorphismen, Hypertonie und Salzsensitivität

Science 280, 1077 (1998); Nature Genetics 22, 239 (1999) Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ,

2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

Nährstoffbedarf und biologische Individualität

Menge Nährstoff/ Tag

Zah

l der

Ind

ivid

uen

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

Polymorphismus-abhängige Nährstoffversorgung?

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

30.000 - 40.000 Gene: 10.000 codieren für Enzyme: 2.500 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

Polymorphismus-abhängige Nährstoffversorgung?

Linus Pauling (Science 160, 265-271, 1968)

„...dysfunction may be due to mutationsthat affect Km of enzymes“

Roger Williams (60er Jahre):

„Individuality in nutritional needs is thebasis for the genetotrophic approach and

for the belief that nutrition applied with dueconcern for individual genetic variations“

Enzymkinetik

[Cofaktor]

„normal“

Polymorphismus

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

Methionin-

synthase (B12)

Serinhydroxymethl-

transferase (B6)

Methylentetrahydro-folatreduktase (B2, Niacin)

Methylentetra-hydrofolsäure

Tetrahydrofolsäure

Methyltetra-hydrofolsäure

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

Polymorphismus-abhängige Folatversorgung?

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

süss bitter Süss-Bitter-Geschmack

3 G-Protein-gekoppelten Rezeptoren

Rezeptor 1+3= Bitter Rezeptor

Rezeptor 2+3= Süss-Rezeptor

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

Anwendung Beispiele/Möglichkeiten Literatur

Identifizierung von

Risikogruppen Brustkrebs (BRCA1) Nature Genetics 4,441 (1996)

viele Krebsarten (p53) NAR 9,43 (2000)

Neugeborenen-Screening Acta Paed 88,61 (1999)

genetische Variabilität

Individualisierte

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.

Ausgewählte Anwendungen zur Analyse der genetischen Variabilität mittels DNA-Chips

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

Erzeugung eines Zinkmangels in-vivo zur Identifizierung Zink-sensitiver Gene

Ratten

Mangeldiät: 1.3 mg Zn/kg DiätKontrolldiät: 25 mg Zn/kg Diät

Kontrollgruppe, n=12 Mangelgruppe, n=12

Schlundsonde, halbsynthetische Diät, 11Tage

- Kontrolle des Zinkmangel: Phänotyp

- Gewebeentnahme

- Isolierung der mRNAs

- Markierung der mRNAs

- DNA-Chips: Vergleich der mRNA-Spiegel für 10.000 Gene zwischen Kontroll- und Mangeltieren

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

4x8x18x18

=10.368 Gene

6000 exprimiert

5600 unverändert

200

200

> 5 % der Gene werden in ihrer

Expression durch Zink beeinflußt

Transkriptomanalyse: Identifizierung Zink-sensitiver Gene

ATP-Citrat-Lyase

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

Von den Zink-sensitiven Genen zum Zinkregulon

+

+

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

Zink

Genexpression(> 5 %)

Fremdstoffwechsel

Trafficking

Proteinstoffwechsel

Wachstumhormon-Achse

Signaltransduktion

Fettstoffwechsel

CofaktorfunktionThymulin

Zink-sensitive Gene als Biomarker

Identifzierung von Funktionsnetzen

Von den Zink-sensitiven Genen zum Zinkregulon

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

Vom Funktionsnetz höhere Ordnung zum Leben in-silico

Proteinnetzwerk: 232 Funktionseinheiten

evolutionär konserviert

Grafik des Reaktionsnetzwerkes

einer virtuellen Zelle

Nature 414, 141 (2002)

Whole-Cell Simulation

Trends in Biotechnology 19, 205 (2001)Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

Diätgruppe(76 %)

Kontrolle

100 -

% Ü

ber

leb

end

e

4020 60

Alter in Monaten

0

mittlere Lebenszeit

Kontrolle: 33 Monate

Diät: 45 Monate

5 Monate 30 Monate 30 Monate

Diät

n=3 je Gruppe

Muskel

Altern

Kalorienrestriktion (KR)

poly(A)+-RNA

6347 Gensonden/ Chip

Altern: 58 mRNAs 55 mRNAs

KR: 51 mRNAs 57 mRNAs

DV: 63 % der „Alterungsgene“

„Diätprävention“ (DV)

Identifizierung von „Diät-Genen“ und „Alterungs-Genen“

Science 285, 1390 (1999)Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

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, 10429 (2000)

- Energieaufnahme Altern/Kalorienrestriktion Science 285, 1390 (1999)

- Nährstoffe Glucose/ß-Zelle PNAS 97, 5773 (2000)

Diätregimes

Nährstoffmangel/Biomarker

DarmfloraLeinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

100.000 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

DNA-Chips zwischen Datenfriedhof und theoretischer Ernährungswissenschaft

1021

DatenBioinformatik

Nutriinformatik

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring

Systembeschreibung

Genom-Genom-Interaktion

Nahrung Genom

Analytik DNA-Chips

genetische Individualität

Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VDÖ, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Döring