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  • Nutriomic - komplexe Analyse der Interaktion zwischen Ernhrungsumwelt und biologischer

    IndividualittFrank Dring

    Biogenese, Technogenese

    Lebensmittel

    Ernhrungsumwelt

    Mensch (...om)

    Gesundheit/ Krankheit

    Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • DNA-Chip-Technologien gehren zur neuen Biologie als big science

    ...omics Vollstndige(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 ... Aufklrung der 3-D-Struktur von Proteindomnen

    ? ... Identifizierung der Protein-Protein-Interaktionen

    phenomics ... Aufklrung 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 VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • 33335555

    Zelle

    hnhnhnhn----RNARNARNARNA

    mRNAmRNAmRNAmRNA

    DNADNADNADNA

    Vom Genom zur Funktion - Reduktion von Komplexitt ?

    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 VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • -3-ATGCCCACAATT...-5

    -3-ATGGGGCGGTAT...-5

    5-...TACGGGTGTTAA...-3

    5-...TACCCCGCCATA...-3

    markierte DNA/RNA-Strnge

    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: Einflu von x auf die Genexpression

    Polymorphom-Analyse: Biologische Variabilitt auf der Ebene einzelner Basen (single nucleotide polymorphism=SNP)

    Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • 74 Individuen

    Isolation genomischer DNA

    Amplifizierung, Markierung, Fragmentierung der DNA von

    75 Kanditaten-Genen fr 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 fhren zuAminosure-Substituionen

    Ermittlung individueller

    Prdisipositionen zur Hypertonie

    und Salzsensitivitt

    Single-nucleotide Polymorphismen, Hypertonie und Salzsensitivitt

    Science 280, 1077 (1998); Nature Genetics 22, 239 (1999) Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • Nhrstoffbedarf und biologische Individualitt

    Menge Nhrstoff/ Tag

    Zah

    l der

    Ind

    ivid

    uen

    Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • Polymorphismus-abhngige Nhrstoffversorgung?

    Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • 30.000 - 40.000 Gene: 10.000 codieren fr Enzyme: 2.500 bentigen Cofaktoren

    Cofaktoren: Vitamine sind Bestandteil

    30 % der Polymorphismen/ Mutationen in Genen fr cofaktor-abhngige Enzyme fhren zu einem erhhten Km-Wert fr den Cofaktor

    50 Polymorphismen/ Mutationen beschrieben: hohe Vitamingaben fhren zur partiellen Wiederherstellung der enzymatischen Aktivitt

    Polymorphismus-abhngige Nhrstoffversorgung?

    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

    Polymorphis

    mus

    Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • Methionin-

    synthase (B12)

    Serinhydroxymethl-

    transferase (B6)

    Methylentetrahydro-folatreduktase (B2, Niacin)

    Methylentetra-hydrofolsure

    Tetrahydrofolsure

    Methyltetra-hydrofolsure

    dUMP

    dTMP

    Polymorphismus: 677C T (Ala Val)

    5- 20 % Valin/Valin, bis zu 50 % Alanin/Valin

    Atheriosklerose , Dickdarmkrebs (?)

    Km-Wert fr FAD (B2) erhht

    Apoprotein ohne FAD instabil

    Folate stabilisieren Enzym

    Polymorphismus-abhngige Folatversorgung?

    Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • sss bitter Sss-Bitter-Geschmack

    3 G-Protein-gekoppelten Rezeptoren

    Rezeptor 1+3= Bitter Rezeptor

    Rezeptor 2+3= Sss-Rezeptor

    Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • Anwendung Beispiele/Mglichkeiten 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 Variabilitt

    Individualisierte

    Pharmatherapie Phase-I-Enyzme (p450) Trends Pharm.20, 342 (1999)

    Ernhrunsregimes Adipositas (MC4-Rezeptor) Am J Hum Genet.65,1501 (1999)

    Blutdruck (Salzsensitivitt)

    genetische Variabilitt

    Voraussetzung fr effiziente und rationale Anwendungen ist aber die Kenntnis der Funktion des Gens. Ansonsten entstehen Empfehlungen

    aufgrund von Korrelationen, die allerdings hufig heuristischen Wert haben.

    Ausgewhlte Anwendungen zur Analyse der genetischen Variabilitt mittels DNA-Chips

    Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

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

    Ratten

    Mangeldit: 1.3 mg Zn/kg DitKontrolldit: 25 mg Zn/kg Dit

    Kontrollgruppe, n=12 Mangelgruppe, n=12

    Schlundsonde, halbsynthetische Dit, 11Tage

    - Kontrolle des Zinkmangel: Phnotyp

    - Gewebeentnahme

    - Isolierung der mRNAs

    - Markierung der mRNAs

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

    Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • 4x8x18x18

    =10.368 Gene

    6000 exprimiert

    5600 unverndert

    200

    200

    > 5 % der Gene werden in ihrer

    Expression durch Zink beeinflut

    Transkriptomanalyse: Identifizierung Zink-sensitiver Gene

    ATP-Citrat-Lyase

    Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • Von den Zink-sensitiven Genen zum Zinkregulon

    +

    +

    Leinfelden-Echterdingen, Jahrestagung VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • 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 VD, 2002, Vortrag Nutriomic, PD Dr. Frank Dring

  • Vom Funktionsnetz hhere Ordnung zum Leben in-silico

    Proteinnetzwerk: 232 Funktionseinheiten

    evolutionr konserviert

    Grafik des Reaktionsnetzwerkes

    einer virtuellen Zelle

    Nature 414, 141 (2002)

    Whole-Cell Simulation

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

  • Ditgruppe(76 %)

    Kontrolle

    100 -

    %

    ber

    leb

    end

    e

    4020 60

    Alter in Monaten

    0

    mittlere Lebenszeit

    Kontrolle: 33 Monate

    Dit: 45 Monate

    5 Monate 30 Monate 30 Monate

    Dit

    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

    Ditprvention (DV)

    Identifizierung von Dit-Genen und Alterungs-Genen

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

  • Die Transkriptom-Analyse mittels DNA-Chips erlaubt den Einflu verschiedenster Faktoren auf ein Genom zu erfassen

    Genexpession und... Beispiele/Mglicheiten Literatur

    Entwicklung Metamorphose d. Fruchtfliege Science 286, 2179 (1999)

    Zellulre 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)

    Ernhrungsforschung

    - Adipositas Leptingabe/Gewichtszunahme JBC 275, 10429 (2000)

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