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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
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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
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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?
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süss bitter Süss-Bitter-Geschmack
3 G-Protein-gekoppelten Rezeptoren
Rezeptor 1+3= Bitter Rezeptor
Rezeptor 2+3= Süss-Rezeptor
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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
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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
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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
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Systembeschreibung
Genom-Genom-Interaktion
Nahrung Genom
Analytik DNA-Chips
genetische Individualität
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