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METHODEN DER EXPERIMENTELLEN ERNÄHRUNGSFORSCHUNG

Vorlesung 330020, Modul MN4, Master of Science Human Nutrition

Position der Vorlesung

Modul MN4: Experimentelle Ernährungsforschung

Methoden der experimentellen Ernährungsforschung, der Genetik und molekularer Mechanismen in der Ernährung (VO)Research Methods in Nutritional Sciences, Genetics, and Molecular Mechanism in Nutrition, 3 ECTs

Übungen zu Methoden der experimentellen Ernährungsforschung(UE)Research Methods in Nutritional Sciences, 1 ECTs

Qualitätskontrollsysteme, Prinzipien von GLP (VO)Quality Control Systems, Principles of GLPSeminar, 3 ECTs

Pflicht für den Schwerpunkt MolecularNutrition

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Methoden der experimentellen Ernährungsforschung, der Genetik und molekularer Mechanismen in der Ernährung (VO)Research Methods in Nutritional Sciences, Genetics, and Molecular Mechanism in Nutrition, 3 ECTs

Übungen zu Methoden der experimentellen Ernährungsforschung(UE)Research Methods in Nutritional Sciences, 1 ECTs

Qualitätskontrollsysteme, Prinzipien von GLP (VO)Quality Control Systems, Principles of GLPSeminar, 3 ECTs



Einführung in aktuelle Methoden der experimentellen Ernährungsforschung unter spezifischer Berücksichtigung der Genregulation auf Zell‐ und Tiermodellebene, moderne Analysenmethoden in der molekularen Ernährung, die Zelle und Gewebsmodelle in der Ernährungsforschung, Vorbereitung und Umgang mit tierischen und menschlichen Proben, Methoden zur Ermittlung der Bioverfügbarkeit von Nährstoffen und bioaktiven Substanzen, Ermittlung des Ernährungsstatus, Ermittlung des Nährstoffbedarfs und methodische Grundlagen zur Formulierung von Referenzwerten für die Nährstoffzufuhr, Ermittlung von Single Nucleotide Polymorphismen und anderen genetischen Faktoren mit Einfluss auf den Metabolismus von Nährstoffen, Grenzen und Aussagekraft analytischer Untersuchungsmethoden, Interpretation von Forschungsergebnissen und deren Übertragung von Zell‐ auf Gewebs‐, Organismus‐ und Populationsebene.

Die Vorlesung Qualitätskontrollsysteme, Prinzipien von GLP soll Möglichkeiten aufzeigen, um die Genauigkeit analytischer Ergebnisse zu interpretieren und zu erhöhen. Schwerpunkte: Einführung in Metrology, analytische Problemstellungen, Probenziehung und Präparation, Referenzmaterialien, Qualitätsanforderungen.



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Inhalte der Vorlesung

Genetische Variationen und Nährstoffbedarf

Die "omics"‐Kaskade: Von Genom zum Phänotyp

Das Metabolom: Ernährungsstatus, Metabolismus, Metaboliten

Probenvorbereitung und Umgang mit biologischen Materialien

Methoden zur Ermittlung des Ernährungsstatus von Mikronährstoffen und ihrer Metaboliten

Regulation des antioxidativen Netzwerks, Ermittlung des antioxidativen Status, DNA‐Methylierung

Die Massenspektrometrie als Instrument der experimentellen Ernährungsforschung

Zell‐ und Tiermodelle in der molekularen Ernährungsforschung: Von Mäusen und Menschen

Genotypisierung und genomweite Assoziationsstudien: von der RT‐PCR zu DNA‐Chips

Bioinformatische Methoden in der Experimentellen Ernährungsforschung

Empfehlungen zur Nährstoffzufuhr: Übertragung von molekularen Ergebnissen von der Zell‐zur Populationsebene



Anrechnung

Die Vorlesung ist Teil des Mastercurriculums Ernährungswissenschaften (Master of Science Human Nutrition) in Modul MN4 des Schwerpunktes Molekulare Ernährung. Für Studierende des Diplomstudiums Ernährungswissenschaften werden diese Lehrveranstaltungen die Lehrveranstaltung "Einführung in die Experimentelle Ernährungsforschung (VO+UE)" ersetzen.



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Format

Die Lehrveranstaltung wird im Wesentlichen in Form einer Vorlesung abgehalten. Alle für die Vorlesung erforderlichen Unterlagen und Beispiele werden auf www.univie.ac.at/nutrigenomics vor den jeweiligen Vorlesungsterminen zum Download angeboten.



Prüfung

Schriftliche Prüfung am Ende der Vorlesung.



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Einteilung

10. Okt. 2007 Einführung, Genetische Variationen und Nährstoffbedarf

17. Okt. 2007 Die "omics"‐Kaskade: Von Genom zum Phänotyp

24. Okt. 2007 Das Metabolom: Ernährungsstatus, Metabolismus, Metaboliten

31. Okt. 2007 Probenvorbereitung und Umgang mit biologischen Materialien

7. Nov. 2007 Methoden zur Ermittlung des Ernährungsstatus von Mikronährstoffen und ihrer Metaboliten

14. Nov. 2007 Methoden zur Ermittlung des Ernährungsstatus von Mikronährstoffen und ihrer Metaboliten

21 Nov. 2007 Regulation des antioxidativen Netzwerks, Ermittlung des antioxidativen Status, DNA‐Methylierung

28. Nov. 2007 Regulation des antioxidativen Netzwerks, Ermittlung des antioxidativen Status, DNA‐Methylierung



Einteilung

5. Dez. 2007 Die Massenspektrometrie als Instrument der experimentellen Ernährungsforschung

12. Dez. 2007 Zell‐ und Tiermodelle in der molekularen Ernährungsforschung: Von Mäusen und Menschen

19. Dec 2007 Genotypisierung und genomweite Assoziationsstudien: von der RT‐PCR zu DNA‐Chips

9. Jan. 2008 Bioinformatische Methoden in der Experimentellen Ernährungsforschung

16. Jan. 2008 Empfehlungen zur Nährstoffzufuhr: Übertragung von molekularen Ergebnissen von der Zell‐ zur Populationsebene

23. Jan. 2008 Prüfungstutorial

30. Jan. 2008 1. Prüfungstermin (weitere Prüfungstermine nach Ankündigung)



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Kontakt

Fragen usw. bitte an:

Jürgen KönigEmerging Focus NutrigenomicsDepartment of Nutritional SciencesUniversity of ViennaAlthanstr. 141090 Vienna

Telefon:: 4277 54991email: [email protected]

und im Internet unterhttp://www.univie.ac.at/nutrigenomicshttp://www.univie.ac.at/nutrigenomics/teaching/vo_methoden/vo_methoden_exp.html



GENETISCHE VARIATIONEN UND NÄHRSTOFFBEDARF

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Molekulare Ernährungsforschung

Genotyping of individuals and population groups on polymorphisms related to nutrition and nutrient metabolism


GenotypingIntervention studies to test the effects of foods and food components on metabolic changes of the human organism

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GenotypingIntervention studies

Metabolic profiling of human samples by LC‐MSn/TOF in response to nutrition intervention; identification of metabolites and metabolic changes covering known and unknown metabolites and nutrients; identification of molecular and biochemical key pathways of individual health problems (metabolic syndrome, obesity, cardiovascular diseases, aging) and identification of strategies for individual intervention


GenotypingIntervention studies

Metabolic profiling

Evaluation of the metabolic profile on possible effects on human health, to ultimately improve human health by nutrition.

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Single Nucleotide Polymorphisms A Starting Point

Single Nucleotide Polymorphisms

A Single Nucleotide Polymorphism or SNP (pronounced snip) is a DNA sequence variation occurring when a single nucleotide ‐A, T, C, or G ‐ in the genome (or other shared sequence) differs between members of a species (or between paired chromosomes in an individual). For example, two sequenced DNA fragments from different individuals, AAGCCTA to AAGCTTA, contain a difference in a single nucleotide. In this case we say that there are two alleles: C and T.

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Base excision repair (BER) is a cellular mechanism that canrepair damaged DNA during DNA replication. RepairingDNA sequence errors is necessary so that mutations are not induced during replication.Base excision repair involves flipping the mutated base out of the DNA helix and repairing the base alone. There are twomain enzymes used, DNA glycosylases andAP endonucleases. The DNA glycosylase is used to break the β‐N glycosidic bond to create an AP site. AP endonucleaserecognizes this site and nicks the damaged DNA on the 5' side (upstream) of theAP site creating a free 3'‐OH. DNA polymerase, Pol I, extends the DNA from the free 3'‐OH using its exonuclease activity to replace the nucleotide ofthe damaged base, as well as a few downstream, followedby sealing of the new DNA strand by DNA ligase.


The Genetic Code

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Protein Modification Function

ApolipoproteinA1 G75A cholesterol transport in HDL

Apolipoprotein E Cys112Arg lipidmetabolism

CETP C629A cholesterol transfer

SREBP Gly595Ala cholesterol homeostasis

eNOS T786C endothelial NO synthesis

PON1 Gln192Arg anti‐LDL oxidation

NPY Leu7Pro energymetabolism

ADRB3 Trp64Arg fat storage

VDR G283A cell proliferation

CYP1B1 T3801C activation of procarcinogens

COL1A1 G1546T bone metabolism

MTHFR C677T folate metabolism


Protein Modification Function

ApolipoproteinA1 G75A cholesterol transport in HDL

Apolipoprotein E Cys112Arg lipidmetabolism

CETP C629A cholesterol transfer

SREBP Gly595Ala cholesterol homeostasis

eNOS T786C endothelial NO synthesis

PON1 Gln192Arg anti‐LDL oxidation

NPY Leu7Pro energymetabolism

ADRB3 Trp64Arg fat storage

VDR G283A cell proliferation

CYP1B1 T3801C activation of procarcinogens

COL1A1 G1546T bone metabolism

MTHFR C677T folate metabolism

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MTHFR (methylenetetrahydrofolatereductase) gene is located on chromosome 1 (1p36.3). It is a C677T polymorphism, with a change of the triplet GCC to GCT (at position 677 of the 12.436 bp sequence)


GCC to GCT (at position 677 of the 12.436 bpsequence) GCC

Ala

GCTVal

The Genetic Code

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Translation of themodified geneticcode of the MTHFR gene leads toinsertion of a valinresidual instead of an alanin residual intothe enzyme peptide.


Specific versus residual MTHFR activity from individuals with MTHFR polymorphismVan der Put et al. Lancet 1995; 346 (8982): 1070‐1071

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Adjusted mean plasma total homocysteine (tHcy) according to quintiles of energy‐adjusted folateintake by methylene‐tetrahydrofolate reductase(MTHFR) 677 genotype (CC: n = 421, ; CT: n = 407, ; TT: n = 109, ). Chiuve SE et al. Am J Clin Nutr 2005; 82: 155‐162

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MTHFR

hCys

NTD

Spina bifida

hyper‐tension

CVD

DNA methyl.

DNA repair

cancer

DNA synthesis

cell pro‐liferation

RBC deve‐lopment

inflamma‐tion

athero‐sclerosisleukemia

?

?

?

?

?


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Metabolic Profiling

• Blood sampling fromindividuals of different genetic background(CC/CT/TT)

• Solid phase extractionfor purification

• LC‐MS/MS analysis ofmetabolites

Metabolic Profiling

• LC‐MS/MS analysis ofmetabolites

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Metabolic Profiling

• Generation ofmetabolite databases

• Mass specs of different samples for metabolicprofiling

Metabolic Profiling

• Data consolidation andstatistical analysisby PCA to identifyprofiles

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Metabolic Profiling

Metabolic Profiling

bioinformatics

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VOM GEN ZUM PHÄNOTYP

Genetik, Umwelt und metabolisches Syndrom

Energiebilanz und Energiespeicher

Genetik Umwelt

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Genetik Umwelt

Physiologie Verhalten

Energie‐verbrauch

Energie‐aufnahme



Energie‐verbrauch

Energie‐aufnahme


Ruhe‐umsatz

Leistungs‐umsatz

Aktive Zeit

Thermi‐scher Effekt

Assimila‐tionseffi‐zienz

Nährstoff‐auswahl

Ort und Zeit der Nahrungsaufnahme

Genetik Umwelt


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Ruhe‐umsatz

Leistungs‐umsatz

Aktive Zeit





Genetik Umwelt


Energie‐verbrauch

Energie‐aufnahme



Ruhe‐umsatz

Leistungs‐umsatz

Aktive Zeit





Genetik Umwelt


Energie‐verbrauch

Energie‐aufnahme

Vielfältige Verbindungen existieren für die wesentlichen kausalen Zusammenhänge zwischen der Genetik, extrinsischen Effekten, Physiologie, Verhalten und der Energiebilanz. Die Abbildung zeigt, dass Verhalten kein alternativer Mechanismus zur Genetik ist, sondern vielmehr verschiedene Ebenen des gleichen Phänomens. Signale der Energiebilanz wirken in einem Feedbackmechanismus auf das Verhalten und die Physiologie und beeinflussen damit sowohl Energieaufnahme als auch Energieverbrauch. Die genauen Mechanismen dieser Regulationsmechanismen werden derzeit intensiv diskutiert, und sind hier nicht dargestellt.


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Thrifty Genes und die Barker‐Hypothese

McCarthy M. Nature Genetics 1998;19: 209‐210

Die “thrifty gene hypothesis” (Hypothese der sparsamen Gene) wurde schon 1962 vom Genetiker James Neel postuliert. Sie versucht, die Tendenz bestimmter ethnischer Gruppe zu einem erhöhten Körpergewicht und Diabetes zu erklären. Es wird postuliert, dass sich bestimmte menschliche Gene in der Evolution so entwickelten, dass die metabolische Effizienz und das Ernährungsverhalten maximiert werden können und in Zeiten von Überfluss diese Personen für Krankheiten anfälliger werden lassen, die durch übermäßige Nahrungsaufnahme verursacht werden. Die Hypothese beruht auf der Theorie, dass ethnische Gruppen mit wiederholten Zeiten von Nahrungs‐mangel einem hohen evolutionären Druck unterlagen und daher eine größere Anzahl “sparsamer Gene” bewahrt haben, als andere Gruppen.

McCarthy M. Nature Genetics 1998;19: 209‐210

Barker wiederum postuliert in seiner (heftig diskutierten) Publikation in Diabetologia von 1992 [Hales CN, Barker DJ. Type 2 (non‐insulin‐dependent) diabetes mellitus: thethrifty phenotype hypothesis], dass die intrauterine Ernährung bzw. Malnutrition von maßgeblichem Einfluss auf die Anfälligkeit für einige Symptome des metabolischen Syndroms ist.

Beide Hypothesen führten in weiterer Folge dann zur intensiven Suche nach „thrifty genes“, mit bisher allerdings nur mäßigem Erfolg im Falle des metabolischen Syndroms (im Gegensatz zu einige monogenen Krankheiten).

Thrifty Genes und die Barker‐Hypothese

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PeroxisomenproliferatoraktivierterRezeptor γ (PPAR‐γ)

Vergleichbar mit anderen nukleären Hormonrezeptoren, wirken die peroxisomenproli‐feratoraktivierten Rezeptoren (PPARs) als ligandaktivierteTranskriptionsfaktoren. Bei der Bindung an seinen Fettsäure‐liganden bildet PPARα einen heterodimeren Komplex mit dem Retinoid X Rezeptor (RXR) und reguliert die Transkription. PPARγwird durch Prostaglan‐dine und Leukotriene aktiviert und reguliert die Genexpression von Proteinen der Fettsäure‐speicherung. PPARβwird schwach von Fettsäuren, Prostaglandinen und Leukotrienen aktiviert. Seine physiologische Wirkung ist noch nicht genau geklärt.

Alternatives Splicing

Es sind nicht nur Polymorphismen, die die Variation der genetischen Information verursachen, sondern auch posttranslationale Modifikationen an Proteinen und unterschiedliche Translationsmechanismen wie das alternative splicing führen zu einer Vielzahl von verschiedenen Proteinen. Hierdurch wird die Komplexizität der Regulation beträchtlich erhöht. Die genauen Mechanismen dieser Regulation sind ein weiterer Einflussfaktor auf Ebene des Genoms und Transkriptoms auf das Symptomfeld des metabolischen Syndroms.

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Speakman JR. Diab Vasc Dis Res 2006; 3: 7‐11

“Over the 40 or so years since Neel proposed the thrifty gene hypothesis, no convincing candidates for these genes have been discovered. My analysis suggeststhat perhaps it is time to call off the search.”

Documents

METHODEN DER EXPERIMENTELLEN … · MTHFR hCys NTD Spina bifida hyper‐ tension CVD DNA methyl. DNA repair cancer DNA synthesis cellpro‐ liferation RBC deve‐ lopment inflamma‐