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La investigación nutrigenómica comparativa como base para entrar al nivel de sistemas

La ciencia nutriológica utiliza la transcriptómica, la proteómica y la metabolómica para valorar los procesos nutricionales en estudios animales o humanosEl metabolismo mamífero se ha adaptado para lidiar con cambios rápidos en el abastecimiento de energía, macro y micronutrimentos, así como de componentes no nutritivos de los alimentos. Para comprender los mecanismos clave detrás de la regulación metabólica, el flujo de información y metabolitos debe ser considerado a todos los niveles del organismo, comenzando con el nivel molecular y celular y llegando hasta el nivel de la interacción de los órganos. Acorde con esto, un acercamiento de sistemas apunta a simular los procesos reguladores en la base de juegos de datos experimentales complejos, para finalmente predecir el resultado de alguna alteración o perturbación.

La biología de sistemas finalmente pretende describir en términos matemáticos y por modelos cinéticos, la respuesta del organismo completo de una manera más comprensible.

Las interacciones en el proteoma a lo ancho de todo el genoma están siendo medidas y modeladas a nivel celular, y los primeros intentos para incluir y conectar todas las capas “ómicas” también se han reportado. La ciencia nutriológica ha comenzado a adoptar a la transcriptómica, la proteómica, la metabolómica y combinaciones de estas para valorar los procesos nutricionales en estudios animales o humanos. El análisis del flujo metabólico y los primeros acercamientos al modelado de los procesos nutricionales como el ciclo del folato o el metabolismo del cobre, comienza a aparecer en la literatura con mayor frecuencia.

Estas nuevas herramientas y acercamientos pueden ahora ser utilizados para revalorar la respuestas fisiológicas y bioquímicas conocidas, relacionadas al consumo de alimento y a las perturbaciones metabólicas en la base del genoma y analizando los cambios en los niveles de mRNA, proteína y metabolito. Sin embargo, para la mayoría de los componentes nutricionales, se desconoce mecanísticamente cómo afectan las funciones corporales en el estado saludable y aún más en vista de futuras estrategias de prevención, cómo causan alteraciones que llevan a la enfermedad. El acercamiento de sistemas y el análisis de patrones en juegos de datos “ómicos” complejos pueden ser utilizados para definir el fenotipo nutricional a nivel individual, su estado metabólico y sus distintas reacciones a condiciones nutriológicas alteradas.

Como la mayoría de los principios de la biología se aplican a todos los sistemas vivos y todos los sistemas vivos dependen del abastecimiento de nutrimentos y responden a su ambiente nutricional, hay una dimensión de investigación nutrigenómica que uno podría llamar “principios nutrigenómicos generales”.  Esto significa que podría buscarse identificar y comparar procesos metabólicos y reguladores esencialmente independientes del organismo y su composición genética específica.

De acuerdo a la pirámide de la complejidad de la vida, la especificidad del organismo se incrementa mientras más nos acerquemos a genomas y genes individuales, mientras que la universalidad de los procesos emerge conforme nos alejamos del genoma o de los genes.  La nutrigenómica comparativa puede servir como una guía en la exploración del grado en el que los principios biológicos comunes o los procesos específicos para un organismo pueden ser detectados en acercamientos de biología de sistemas para la nutrición.

La nutrigenómica comparativa necesita identificar y explorar los principios fundamentales detrás de la organización y evolución de sistemas biológicos en el contexto de la cantidad y calidad del abastecimiento de nutrimentos. ¿Cuáles son los mecanismos y principios de diseño comunes y cuáles han sido las presiones de selección por la evolución que causan el desarrollo de estos procesos? La evolución es inherentemente la adaptación continua a un ambiente cambiante, incluyendo una disponibilidad variable de energía y nutrimentos, y esto es alcanzado por modularidad de las respuestas.

La modularidad es un principio primo en la organización de genomas procariontes, los cuales tienen unidades transcripcionales –operones- que se traducen en unidades funcionales multiproteínas. La modularidad es también inherente en la organización de redes reguladoras y metabólicas en organismos superiores. Sin embargo, los métodos para la identificación de estos módulos están aún en desarrollo y en la investigación nutriológica no se han completado exploraciones sistemáticos.

Aún así, todo el conocimiento reunido por décadas sobre metabolismo, fisiología y bioquímica, así como en los procesos reguladores subyacentes, puede servir para definir las “reglas generales de control metabólico”. Estas debe ser separadas de los mecanismos más especializados que emergieron más tarde en la evolución, cuando los organismos comenzaron a divergir a criaturas con órganos de funciones especializadas y redes hormonales y neuronales de superorden que todos necesitan para estar sincronizados con los efectos celulares de los nutrimentos.

Una de las cuestiones más intrigantes es si vivir en un ambiente nutricional dado condiciona al genoma y lo predispone a un ajuste mejor o más rápido a una situación nutricional nueva o similar más tarde en la vida. Los efectos epigenéticos, principalmente por modificaciones en la accesibilidad a la secuencia de genes, pueden ser impresos prenatalmente y dar forma al patrón de expresión de proteínas. Esto se conoció primero en ratones en donde la metilación alterada de promotores génicos inducidos en la generación F1 por restricción proteínica durante el desarrollo fetal fue heredada por le generación F2.

Dicha transmisión no genómica de información ambiental podría haber evolucionado originalmente para mejorar las oportunidades de las crías para sobrevivir bajo las condiciones experimentadas por la madre y predichas para el futuro cercano. Sin embargo, las condiciones nutriológicas actuales pueden cambiar rápidamente (por emigración o por cambios socioeconómicos, entre otras causas), por lo que la respuesta epigenética no corresponderá con el ambiente experimentado a lo largo de la vida, lo que causa un incremento en el riesgo de enfermedades.

No se sabe todavía cómo trabaja esta memoria celular o genómica, ni cómo los hechos y factores del ambiente nutricional son transmitidos al genoma para causar cambios sostenidos y de largo plazo en el organismo.

 

Metas de la nutrigenómica comparativa

La meta última de los estudios de nutrigenómica comparativa es identificar la arquitectura modular que controla los procesos nutricionales. Esto incluye el análisis de los efectos que causan que un sistema se aleje del equilibrio hacia inestabilidades, y las reacciones necesarias para permitir al sistema alcanzar un nuevo estado estable de adaptación metabólica.

Es necesario definir las escalas de tiempo para estas adaptaciones y el grado al cual retroalimentan al genoma para causar una alteración “tipo memoria”. Como la interacción entre los componentes en un sistema celular usualmente se extienden solamente sobre un rango corto, es necesario un estado crítico para propagar un patrón a todo el organismo para ver cambios importantes en la organización global en la cual detalles del sistema particular son borrados. Dicho estado crítico puede ser definido en términos de nutrición como un estado severo de ayuno, una deficiencia de micronutrimentos o dietas que proporcionan composiciones extremas de nutrimentos.

Para poder valorar la organización global en un sistema biológico, se necesitan modelos de complejidad creciente –de células únicas a organismos multicelulares simples y luego a modelos mamíferos (roedores) y finalmente a humanos.

La nutrigenómica comparativa debe ser el acercamiento de ciencia básica que ayuda a definir los principios de adaptaciones metabólicas y genéticas de los mamíferos a cambios en el ambiente nutricional. Dado que los estudios en humanos son limitados debido a cuestiones éticas y a la disponibilidad de muestras, solamente los sistemas modelo proporcionan la oportunidad de explorar más profundamente las reglas y módulos fundamentales, al permitir un alto rendimiento y utilizando así el poder de los acercamientos de la nutrigenómica comparativa.

Cuando los organismos son alineados por complejidad genética, morfológica y funcional creciente, y en paralelo por complejidad creciente de su ambiente y necesidades nutricionales, estos exhiben decreciente aplicabilidad, factibilidad y costos para el uso en técnicas de genómica funcional.

 

Levaduras

Las células de levadura son el modelo eucariótico simple mejor estudiado por la biología de sistemas. Aún sí, estas carecen de especialización celular y tienen un interjuego menos complejo de procesos de señalización extracelular (hormonales y neuronales) e intracelulares controlando la adaptación metabólica que los organismos multicelulares. Sin embargo, los procesos más básicos como las rutas metabólicas primarias proporcionan módulos valiosos que pueden ser traducidos al metabolismo de la célula mamífera.

Así, el reto es hacer un uso óptimo del vasto repertorio de conocimiento, herramientas y modelos transgénicos disponibles para levadura y traducir estos resultados a biología de sistemas mamíferos.

 

Invertebrados

En comparación con la levadura, Caenorhabditis elegans es un organismo complejo (alrededor de mil células) con una variedad de tipos celulares y con esencialmente todas las rutas sensibles y de señalización como en los vertebrados superiores (por ejemplo, la cascada de señalización de insulina). C. elegans puede ser genéticamente modificado como casi ningún otro sistema multicelular (noqueados, múltiples noqueados, miles de líneas mutantes, numerosas líneas reportero y RNAi para cada gen fácil de realizar). Tiene una reproducción, crecimiento y desarrollo rápidos y las tecnologías ómicas pueden ser aplicadas como en todos los demás sistemas.

La desventaja de C. elegans es que no tiene sangre y por lo tanto carece de un sistema central de distribución por un metabolismo inter-órgano complejo. Sin embargo, es el sistema más rápido disponible hasta un cierto nivel de complejidad, que permite análisis de alto rendimiento.

Los estudios dietarios, sin embargo, son más difíciles de conducir debido a que se sabe poco sobre el metabolismo de los gusanos y el alimento es normalmente Escherichia coli viva.

Drosophila melanogaster también es un modelo adecuado con ventajas y desventajas similares a las de los gusanos, y ha realizado importantes contribuciones a cuestiones de ciencia básica que se relacionan a la nutrición.

 

Roedores

Las ratas (con más de 50 especies aunque las más comúnmente utilizadas en investigación son Rattus norvegicus y Rattus rattus) son el modelo animal tradicional en investigación en nutrición. Consecuentemente, los datos de estudios en ratas proporcionan una base de datos más grandes que aquellos en ratones.

Las ratas son también más complejas en su comportamiento de alimentación y de selección de alimentos y comerán una mayor variedad de alimentos, en diferentes formas, que los ratones. Sin embargo, la carencia de un número significativo de cepas mutantes es una limitación.

Los ratones (esencialmente los del género Mus, con unas 30 especies y varios subgéneros) se han convertido recientemente en la especie de modelo mamífero principal, por la facilidad para crear líneas transgénicas con canceladuras génicas, incluyendo inactivación específica para tejido o célula o sobreexpresión dirigida de genes de ratón o humano en diferentes  backgrounds (composición genética, incluyendo todos los alelos y loci) genéticos. Las numerosas líneas de ratones transgénicos o mutantes disponibles permiten el estudio de enfermedades monogenéticas de los mamíferos, o aún rasgos complejos como el envejecimiento en combinación con genética avanzada y la facilidad de cría y propagación de línea rápidas.

Los modelos de ratones transgénicos también dan acceso a estudios nutricionales que emplean análisis del transcriptoma, el proteoma y el metaboloma. Los modelos en ratones son la selección para valorar la plasticidad y conectividad del metabolismo a nivel completo y a nivel de respuestas en órganos especializados, así como la relación inter-órganos.

Hay numerosas líneas transgénicas de ratones con genes noqueados (knockout) y noqueados con inserciones (knock-in), así como una batería de líneas reportero  para análisis de expresión génica basados en la expresión de la proteína fluorescente verde (GFP, por sus siglas en inglés) o proteínas relacionadas, así como sistemas de ensayo basados en luciferasa. Todas las ciencias ómicas pueden ser aplicadas, pero el rendimiento es algo limitado en términos de los tamaños de los órganos y la cantidad de biomuestras necesarias para los análisis.

Aunque los ratones serían un modelo razonable para estudios generacionales en efectos nutricionales, estos estudios necesitan apoyo a largo plazo y una enorme infraestructura, y por tanto son difíciles de conducir.

 

Los retos

Algunas de las principales deficiencias actuales, además de las limitaciones tecnológicas en los diferentes acercamientos ómicos, son las siguientes:

•   Carencia de estudios de intervención nutricional bien definidos, que permitan que el carácter modular de las respuestas sea estudiado y reconocido. A más complejo un organismo más difícil es esto y mejor el rendimiento.
•   Carencia de experimentos apropiados en los cuales organismos de mayor complejidad sean expuestos a las mismas maniobras dietarias para valorar si hay patrones (módulos) comunes en las respuestas.
•   Falta de conocimiento en la importancia de la impresión/efectos epigenéticos en la adaptación metabólica.
•   Carencia de un estudio sistemático que considere el precondicionamiento genético al mismo reto en el mismo organismo por numerosas generaciones (nutrigenómica evolutiva).
•   Falta de conocimiento en el papel funcional de los polimorfismos de un nucleótido (SNPs), hasta ahora identificados principalmente por estudios de asociación en su arreglo celular o sistémico.

Estos retos pueden ser cumplidos mediante la realización de estudios específicos, como los siguientes, entre otros:

•   Experimentalmente definir las ventajas y limitaciones de los varios sistemas modelo disponibles.
•   Proporcionar un estudio de “prueba de principio” que demuestre que hay reglas generales y respuestas modulares en la adaptación de los organismos a cambios en el ambiente nutricional a todos los niveles de complejidad (acercamiento de sistemas).
•   Explorar el grado y la forma en que la dieta causa un precondicionamiento del genoma por retos repetidos (por generaciones) con la misma dieta.
•   Explorar la plasticidad de las adaptaciones metabólicas (acercamiento de estado crítico) en modelos animales y luego incorporarlo a un estudio humano.
•   Definir un experimento de reto dietario (isoenergético, bajo vs alto en carbohidrato o proteína) como “prueba de principio” y estudiar la respuesta con todas las ómicas como una función del tiempo en líneas de levadura, C. elegans y ratón (en diferentes órganos y plasma y orina), derivar patrones de respuestas (entre órganos, entre organismos) y tratar de identificar módulos.
•   Definir un juego de experimentos de alimentación utilizando una variedad de dietas (alteraciones de la composición de macronutrimentos) para estudiar la plasticidad de las respuestas (acercamiento de umbral) en líneas de C. elegans (sistema más rápido) y de ratones (sistemas más complejos).
•   Definir un estudio de nutrigenómica evolutiva, con un reto repetido a la misma maniobra dietaria en el mismo modelo (línea) por varias generaciones (evolución mímica en el laboratorio) en C. elegans (modelo rápido) y una línea de ratón (modelo lento) para tratar de identificar los mecanismos subyacentes de la adaptación genética, como alteraciones epigenéticas, mutaciones, etc.
•   Diseñar un estudio de “prueba de principio” en cohortes genéticamente bien definidas con el acercamiento de estado crítico para valorar la plasticidad de la adaptación metabólica.
•   Definir un estudio de intervención nutricional en grupos genéticamente bien definidos (gemelos o cohorte definida por SNP) para la determinación de la plasticidad de respuestas metabólicas y “prueba de principio” de modularidad de adaptación.

 

Ejemplos del poder de los acercamientos de genómica comparativa

Aunque los ejemplos encontrados en la literatura no tratan con la nutrición en primer lugar, pueden servir como paradigmas para los principios en acercamientos en genética y genómica comparativa a través de especies. Inicialmente, la genómica comparativa fue dirigida definiendo la sintenia de genes (localización conservada de genes) entre especies. A medida que más genomas son definidos para un más amplio rango de organismos en el árbol evolutivo, surgen más opciones y más herramientas están disponibles para ligar también la genética comparativa con la biología comparativa.

Los acercamientos de genómica comparativa aprovechan toda la información genética funcional de todos los organismos para estudiar la fisiología y enfermedades humanas, para identificar funciones génicas y principios reguladores.

 

Ejemplo: longevidad

La investigación en envejecimiento, principalmente en organismos modelo invertebrados, ha llevado a la identificación de muchos genes que influyen la extensión de la vida, pero solamente algunos de estos genes han sido en el contexto del envejecimiento de mamíferos. A pesar del hecho de que los mecanismos detrás de la longevidad no han sido completamente elucidados, se sabe que la mutación en genes que comparten similitudes con aquellos en los humanos involucrados en la ruta de señalización del factor de crecimiento insulina/tipo insulina I (IGF-I), puede extender significativamente la extensión de la vida en levaduras, gusanos, moscas de la fruta y roedores. Esto sugiere que los mecanismos fundamentales para la determinación de la extensión de la vida están evolutivamente conservados de levaduras a mamíferos.

Las líneas mutantes de vida larga –gusanos o ratones- comparten algunas importantes características fenotípicas, incluyendo una mayor sensibilidad a la insulina así como niveles reducidos de IGF-I en plasma. Hallazgos recientes también proporcionan evidencia intrigante para el involucramiento de la insulina e IGF-I en el control del envejecimiento y la longevidad en humanos. Parece haber un mecanismo unificador en la genética de la longevidad.

Con un acercamiento de genómica funcional comparativa utilizando la levadura Saccharomyces cerevisiae y el nematodo C. elegans, se ha realizado el primer análisis cuantitativo de la conservación de genes de longevidad. Basado en gusanos con canceladuras génicas y alteraciones conocidas en la extensión de la vida, se produjeron  canceladuras génicas únicas de los ortólogos de levadura con cambios similares en extensión de la vida, sugiriendo que los genes que afectan los procesos de envejecimiento han sido conservados durante la evolución no solamente en secuencia, sino también en función.

Dentro de los pares de genes que proporcionan longevidad en levadura y gusanos, pueden ser identificados aquellos involucrados en los sensores de nutrimentos y procesamiento metabólico, así como los de control de traducción de proteínas. Grupos de genes similares sobrerrepresentados, que codifican proteínas involucradas en la producción de energía y transporte de protones, han sido identificados en varios tamizados con D. melanogaster y C. elegans, y por perfilado de expresión génica comparativa en moscas jóvenes y viejas (tejido de cabeza y tórax).

En extensión de estos acercamientos, un estudio reciente empleando perfilado de transcripto y comparando 81 muestras musculares de humanos de varias edades, identificó 250 transcriptos regulados por la edad. Aquellos podían ser agrupados en 6 rutas genéticas, de las cuales 5 rutas mostraron incremento en la expresión con la edad (matiz extracelular, crecimiento celular, activación de complemento y ribosoma citosólico) mientras que 2 rutas mostraron disminución en la expresión con la edad, y aquí los genes codificando para subunidades de la cadena de transporte de electrones mitocondrial estuvieron sobrerrepresentados.

Cuando dichos genes humanos fueron comparados con perfiles de transcripto dependientes de la edad de gusanos, moscas y ratones, se identificó una regulación dependiente de la edad similar en las 4 especies, como una “firma de envejecimiento” común. Existe actualmente una base de datos dedicada a los perfiles de transcripto dependientes de la edad, que contiene varias decenas de juegos de datos obtenidos de 6 especies (levadura, gusano, moscas, ratones, rata y humano) que permite análisis de expresión y coexpresión génica diferencial.

Estos ejemplos de genómica comparativa para definir los procesos de envejecimiento han revelado un patrón común de genes –independiente de la especie- que juega un papel crucial en la extensión de la vida de los organismos, y en particular las proteínas de la cadena de transporte de electrones que disminuyen un promedio de 2 veces en expresión con la edad en todos los organismos podría probar el ser la mejor poza de identificación de biomarcadores robustos  del envejecimiento. Que la cadena respiratoria esté colocada en el centro de estos procesos  de envejecimiento aparentemente independiente de la especie, puede no ser una sorpresa, dado que la presión evolutiva de la disponibilidad de nutrimento y por consecuencia las pozas de sustrato para la respiración mitocondrial fueron de lo más crucial para la extensión de la vida reproductiva y una nueva generación de organismos.

Una necesidad de longevidad per se parece no haber sido una presión evolutiva profunda o importante.

 

Ejemplo: inmunidad

Otra importante presión selectiva en la evolución que puede haber dado forma a los genomas en términos de principios comunes ha sido la resistencia a infecciones. En la defensa organísmica contra virus, bacterias o nematodos, la inmunidad innata juega un papel prominente.

Un interesante acercamiento para identificar los reguladores de la inmunidad innata como genes comunes que contribuyen a la expresión de procesos de defensa inmune, se ha realizado un tamizado comparativo de C. elegans y macrófagos de ratón. Los genes que alteraron la respuesta inmune innata en C. elegans fueron validados en macrófagos  de ratón, lo que llevó al descubrimiento de 11 genes que regulan la respuesta inmune innata en ambos sistemas y la subsecuente identificación de una red de interacción de proteína con un papel conservado en la regulación de inmunidad innata.

Estos ejemplos demuestran que la genómica comparativa lleva a las firmas génicas y a las correspondientes familias de proteína o aún redes que son representadas en organismos simples así como en los altamente desarrollados, y que podríamos llamar “firmas del principio de vida”.

A este respecto, puede esperarse que la nutrigenómica comparativa revele de manera parecida un gran número de redes similares, porque todos los organismos, a pesar del hecho de que no todos necesitan los mismos nutrimentos, ciertamente dependen en el abastecimiento de algunos nutrimentos comunes para propósitos de producción de energía, mantenimiento celular y corporal y para funciones reproductivas. Entender mejor estos principios de vida regidos por la nutrición y altamente dependientes de la nutrición, llevará finalmente a la biología de sistemas nutricionales.

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