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Presente y futuro de la proteómica en la nutrigenómica y la nutrigenética

Código GenéticoEl alimento es la única materia física que ingresamos a nuestro cuerpo, además del aire que inhalamos. Es por tanto lógico y natural que la nutrición ejerza el impacto ambiental a largo plazo más fuerte en la salud humana y esta relación entre nutrición y salud se ha conocido por siglos. Hipócrates, médico griego del siglo IV AC recomendaba utilizar el alimento como medicina y viceversa, mientras que Sun SI-Miao, famoso médico de la Dinastía Tang en el siglo VII DC establecía que “cuando una persona está enferma, el doctor debe primero regular la dieta y estilo de vida del paciente”.

La nueva era de la investigación en nutriología traduce este conocimiento empírico en ciencia molecular basada en evidencia, porque los componentes en el alimento interactúan con nuestro cuerpo a niveles de sistema, órgano, célula y molécula. La investigación moderna en nutrición y salud se enfoca en la promoción de la salud, previniendo o retrasando el surgimiento de la enfermedad y optimizando el desempeño a lo largo de la vida. Estos objetivos requieren el acercamiento holístico (la persona como un todo) pues el mejoramiento nutricional de un aspecto de la salud no debe ser comprometido por el deterioro de otro.

Los componentes de la dieta aparecen en mezclas complejas y, por lo tanto, no solamente las concentraciones de compuestos individuales sino también las interacciones entre ellos tienen un impacto en la biodisponibilidad y bioeficacia del ingrediente final.

Las proteínas son los actores clave en virtualmente todos los procesos biológicos en el cuerpo humano. La proteómica es una plataforma central en la nutrigenómica, que busca entender holísticamente cómo se expresa nuestro genoma en respuesta a la dieta.

La nutrigenética se enfoca en nuestra predisposición  genética y a la susceptibilidad hacia la dieta y puede emplearse para estratificar a grupos de personas inscritas en estudios de intervención nutricional y para separar a los respondedores de los no respondedores entre estas personas.

La epigenética comprende la investigación de modificaciones bioquímicas que no modifican la secuencia del ácido desoxirribonucleico (DNA, por sus siglas en inglés) tanto en el mismo DNA como en las proteínas que se unen al DNA, y parece proveer un formato para la impresión (imprinting) metabólica que puede durar por una etapa de la vida, durante toda la vida o aun ser heredada de una generación a otra. La proteómica también juega un papel aquí, al poder identificar modificaciones translacionales (por ejemplo, acetilaciones) de las proteínas que empacan el DNA y puede, por tanto, ayudar a descifrar el llamado código de histona.

La proteómica en la nutrición identifica y cuantifica proteínas y péptidos bioactivos, al tiempo que responde preguntas de bioeficacia nutricional al elucidar marcadores de proteína y péptido. La proteómica entrega bioactivos y biomarcadores.

Empleamos plataformas genómicas, tales como transcriptómica, proteómica y metabolómica, para demostrar la eficacia nutricional; empleamos técnicas genéticas para revelar predisposición y susceptibilidad; y aplicamos la epigenética para entender la programación e impresión metabólica.

El reto analítico limitante en proteómica no es la exactitud de masa (actualmente a niveles de sub-ppm) ni la resolución de masa (actualmente en el nivel de cientos de miles) o la sensibilidad absoluta (actualmente a niveles de rango attomolar [aM o 10-18 molar]) de los espectrómetros de masa, sino en el rango dinámico de las concentraciones de proteína (estimadas, por ejemplo, en 1012 en la sangre humana), lo que ha llevado a muestreo insuficiente, redundancia e irreproducibilidad en identificación y cuantificación de proteínas.

Las plataformas proteómicas actuales basadas en espectrometría de masa (MS, por sus siglas en inglés) pueden desempeñar un rango dinámico de 104. Esto significa que el remanente e inaccesible proteoma de menor abundancia debe ser determinado por  disminución de las proteínas más abundantes (por ejemplo, el sistema de remoción de afinidad múltiple que específicamente remueve de 7 a 14 proteínas superiores en plasma) o por enriquecimiento selectivo de proteína de baja abundancia (por ejemplo, por cromatografía de afinidad con metal inmovilizado o técnicas de bióxido de titanio para fosfoproteínas, lectinas así como la técnica de captura en superficie celular para glicoproteínas).

Los medios actuales para la cuantificación de proteínas están basados en gel o en MS. El estándar preferido para la proteómica-2DE es la cuantificación por electroforesis diferencial en gel (DIGE, por sus siglas en inglés) con teñido diferencial de las proteínas separadas y análisis de imagen. Alternativamente a DIGE y compatible con la cromatografía líquida en línea (LC)-MS/MS, isótopos estables pueden ser introducidos en las condiciones en cuestión.

Estas técnicas de etiquetado pueden ejecutarse a nivel proteína (ej. AniBAL [marcado por anilina y ácido benzoico]) o péptido (ej. ICAT [etiqueta por afinidad codificada por isótopo], iTRAQ [etiquetas isobáricas para cuantificación relativa y absoluta] o TMT [etiqueta por masa tándem]) y pueden ser introducidas químicamente en una muestra (ICAT, iTRAQ, TMT o AniBAL) o metabólicamente alimentando células o aún pequeños animales (ej. Ratones y ratas) con amino ácidos etiquetados isotópicamente estables en cultivo celular (SILAC). La lectura de cuantificación puede ser obtenida a nivel MS-ICAT, SILAC y AniBAL) o MS/MS (iTRAQ y TMT).

Mientras que por un lado se prefiere introducir la etiqueta lo antes posible en el flujo de trabajo para maximizar el coprocesamiento de casos y controles y minimizar prejuicios (alcanzado en los casos de los métodos metabólico SILAC y el químico AniBAL), por otro lado puede ser ventajoso no etiquetar para poder comparar muestras directamente sin alteraciones. Por lo tanto, se han desarrollado los llamados acercamientos “libres de etiqueta” que realizan conteo espectral de asignaciones de péptidos para análisis semicuantitativo  o comparan los intensidades pico del mismísimo péptido al traslapar corridas LC-MS de las muestras de control y las caso.

Particularmente en nutrición es también deseable generar información sobre las cantidades absolutas de proteínas presentes en una muestra dada: las bases de biodisponibilidad y bioeficacia probadas del ingrediente es su cantidad absoluta en la matriz original del alimento, así como en los fluidos y tejidos corporales relevantes.

La versión dirigida y multiplexada a nivel péptido es llamada acercamiento por cuantificación absoluta (AQUA, por sus siglas en inglés), la variante a nivel proteína se describe como QConCat (proteínas artificiales expresadas, consistentes en péptidos con código de isótopo estable representando las proteínas a ser cuantificadas) o cuantificación absoluta estándar de proteína (PSAQ, por sus siglas en inglés, picos de la proteína etiquetada de interés).

La estrategia análoga a escala de proteoma con determinación y síntesis de péptidos identificadores únicos etiquetados para todas las proteínas se conoce bajo el concepto de péptidos “proteotípicos”. Tanto el estándar de péptido proteotípico etiquetado como su contraparte natural sin etiquetar, son típicamente identificados y cuantificados por el modo de adquisición orientada MS/MS conocido como monitoreo “seleccionado” o por “reacción múltiple”. Estos métodos pueden ser entendidos como ELISA (ensayo inmunoabsorbente ligado a enzima) basado en MS de alta sensibilidad y multiplexado, que no depende de un reconocimiento de los epítopes de proteína basado en la estructura tridimensional.

Las aplicaciones de la proteómica en el campo de la nutrición incluyen intervenciones nutricionales, elucidación de desórdenes intestinales inmunorelacionados, caracterización de ingredientes funcionales (como probióticos en las proteínas de leche o soya, entre muchos otros) o la investigación de perturbaciones en el metabolismo energético (como diabetes y obesidad).

Numerosos artículos se han publicado sobre estudios de intervención nutricional y en elucidación mecanística de la acción de los nutrimentos. Sin embargo, la nutrición es un campo relativamente joven para la proteómica comparada con las aplicaciones clínicas y médicas.

El desarrollo y éxito futuro de la proteómica en nutrición y la salud dependerán de varios factores:

♦  Las plataformas de tecnología proteómica, independientemente de su aplicación, se beneficiarán de la mejora continua en las técnicas de separación proteína/péptido, mejores métodos de disminución y enriquecimiento, y técnicas de secuenciado y determinación de masa más específicas y sensibles.

♦  La estrategia analítica posee gran potencial para mejora en los resultados: el enfoque inteligente en los subgrupos del proteoma, a nivel organelo celular, subclase de proteínas o espectro de masa (péptidos proteotípicos y monitoreo de reacción seleccionada) rendirán proteomas menos complejos y al mismo tiempo información más profunda sobre las redes moleculares.

♦  Las mejoras relacionadas a la plataforma se extienden a la bioinformática (herramientas para valorar la calidad de los datos y convertir estos en información interpretable). Los “vacios” actuales en los juegos de datos ómicos pueden ser entendidos mediante la reconstrucción de rutas y redes reguladoras, aun en la presencia de datos fragmentados. Si estas herramientas de reconstrucción de red y elucidación de motivos son exitosas, pueden también arrojar luz en los términos “reproducibilidad” y “comparabilidad” de los estudios ómicos; más que buscar los mismos transcriptos/proteínas/metabolitos regulados entre los estudios relacionados, uno se puede enfocar en los motivos comunes detrás de estos grupos de datos.

♦  La proteómica se beneficiará en gran medida de la correlación cruzada con análisis de expresión genética y perfilado de metabolitos. Sin embargo, el tiempo interrelacionado de la expresión del gen y de la proteína, así como la generación de metabolito, todavía debe ser entendida. Una posible solución es identificar la acreción de proteína (balance entre síntesis y degradación) a una escala proteómica; más que tomar “fotografías instantáneas” proteómicas ahora es posible interpretar cambios en la abundancia de proteína como resultado combinado de la síntesis y la degradación de la misma. Experimentos de acreción del proteoma realizados con amino ácidos, péptidos y proteínas con etiqueta de isótopo estable tienen el potencial de proporcionar una calidad diferente de biomarcadores nutricionales.

♦  La susceptibilidad genética puede predisponer una persona a una enfermedad inducida por la dieta y/o hacer a esta persona más o menos susceptible a una intervención dietética. La identificación y caracterización de polimorfismos de un nucleótido (SNPs, por sus siglas en inglés) metabólicamente relevantes es esencial para identificar a las personas y poblaciones en mayor riesgo, como ya se ha hecho para el desarrollo de hipertensión, ateroesclerosis, síndrome metabólico o dispepsia funcional, entre otros.

♦  Los cambios epigenéticos, como la metilación de DNA (silenciado de genes) y acetilación de histona (estructura de la cromatina) deben ser considerados en la intervención nutricional a largo plazo, pues estos mecanismos influyen fuertemente en la transcripción y expresión de los genes.

♦  En los humanos, los cambios en la dieta representan intervenciones bastante sutiles, frecuentemente con muchos más pequeños que grandes cambios moleculares. La mejor definición de los grupos humanos sujetos de intervenciones dietéticas a través de genotipo y fenotipo deberá proporcionar resultados más claros de las aplicaciones ómicas.

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