NUTRIGENOMICS dr.Bambang Prijadi, MS

Nutrigenomics

Nutrigenomics :

Effects of bioactive dietary compounds on the expression of genes (genome), proteins (proteome), and metabolites (metabolome).

Selayang pandang (1)*

Selayang pandang (2)*

Konsep Nutrigenomics

Keanekaragaman IndividuMasing-masing individu memiliki rangkaian kimia yang berbeda-bedaHal itu menyebabkan perbedaan respon tiap individu terhadap makanan, obat dan lingkunganYang menyebabkan tiap individu berbeda adalah gen-gen penyusunnya berbeda

Peta DNA ManusiaTelah ditemukan , DNA terdiri dari sekitar 3.000.000.000 rangkaian molekul DNA99,9% semua individu sama0,1% saja yang berbedaSedikit perbedaan DNA bisa menyebabkan perbedaan yang besar antar individuTidak ada dua manusia yang segalanya sama persis, saudara kembar sekalipun ada bedanya

DNA sebagai pembedaDNA sebagai penyusun genGen yang berbeda akan menghasilkan protein yang berbedaProtein :EnzimPenyusun struktur organ selSarana pembawaEnzim berperan dalam berbagai jalur metabolismeRespon individu terhadap faktor lingkungan (makanan dan obat) berbeda-beda

SNP: Single Nucleotide PolymorphismPerbedaan pada satu molekul DNA penyusun gen = SNPMisal urutan DNA dari 2 individu (X & Y):Xvs.YGGAAGA(SNP)GGSNP ditemukan rata-rata pada tiap rangkaian 2000 molekul DNA

Mengetahui Profil SNP Pengujian profil SNP dilakukan pada sejumlah gen penyandi protein-protein yang memiliki peran kunci dalam berbagai jalur metabolisme.Misal :Stres oksidatifKesehatan jantung dan sirkulasi darahPertahanan tubuh dari serangan penyakit atau polutanPertumbuhan tulangDll.

Hasil SNP TestBisa untuk memperkirakan pada aspek kesehatan yang mana yang kurang optimum (lemah)Pemberian jenis dan dosis nutrien bisa tepat untuk memperbaiki kelemahan yang adaMencegah penggunaan nutrien yang berlebihan dan tidak relevan bisa dihindari

Mengoptimalkan asupan mikronutrien melalui makanan atau suplemen bisa memberikan pengaruh besar terhadap kesehatan masyarakatBagi individu tertentu kekurangan mikronutrien bisa menyebabkan kerusakan DNA secara perlahanMengoptimalkan metabolisme merupakan pendekatan yang efektif untuk menjaga kesehatan

Ilmu-ilmu pendukung NutrigenomikGENOMIK:Urutan DNA dan perbedaan genetikTRANSKRIPSI:Pola-pola ekspresi genPROTEOMIK:Struktur protein dan fungsi proteinPROSES METABOLIK: Fungsi dan profil metabolitFUNGSI GEN DAN FENOTIPESumber : Fogg-Johnson and Kaput (2003)Farmako-genomikBioteknologiKedokteran MolekularIlmu GiziBIOINFORMATIKNUTRI-GENOMIK

Peran nutrien di dalam selMakananNutrienMetabolismeTransduksi SinyalEkspresi GenPertumbuhan Sel NormalSumber : Kaput and Rodriguez (2004)AABCB

Nutrien, proses di dalam sel, dan karakteristik fenotipe Gen mRNA Protein MetabolitJalur-Jalur MetabolikModul-modul FungsionalKarakteristik FenotipeAktivitas sel bisa memodifikasi respon terhadap komponen bioaktif dari makananKomponen bioaktif dari makanan bisa memodifikasi aktivitas selSumber : Oltvai and Barabasi (2002)

Hubungan komponen bioaktif makanan dan proses/aktivitas di dalam selDNACH3-DNAmRNAProteinKomponen bioaktif pada makananEnzim, struktural, transport, pemberian sinyal, tiolasi, glikosilasiNutrigenikEpigenomikNutrigenomikPasca-translasiSumber : Milner (2003)

Example for applied genomics: Nutrigenomics and nutrigenetics : two sides of a coin

For personalized nutrition:

effects of diet on body-metabolism

influence of genotype on nutritionally related diseases

must be considered

Pasar Produk Nutrigenomik didorong oleh adanya : Konsumen meyakini ada hubungan antara asupan makanan dengan resiko menderita sakitProporsi/jumlah usia lanjut meningkatBiaya pengobatan makin mahalKemajuan di teknologi pangan dan ilmu giziMakin banyak diketahui gen-gen yang bisa dipengaruhi oleh nutrien dan berkaitan dengan penyakit kronisPenelitian tentang functional foods dan nutraceuticals dalam kaitannya dengan pencegahan penyakit.

Contoh-Contoh GenOxidative Stress-1 gene (OS-1)Manganese Superoxide Dismutase (Mn-SOD)Oxidative Stress-2 gene (OS-2)Glutathione Peroxidase (GPX)Heart Circulatory Health-1 gene (HCH-1)Paraoxonase-1 (PON-1)Menghidrolisa peroksida lemak pada LDLHeart Circulatory Health-2 gene (HCH-2)Methylenetetrahydrofolate Reductase (MTHFR)Mencegah akumulasi homositein dalam darah

Bioactive food (or drug) components can modify transcription, translation and metabolism

Perbedaan konsumsi nutrien atau komponen bioaktif makanan mengubah rangkaian proses fisiologis. Reaksi itu terjadi karena adanya perubahan ekspresi atau struktur gen-gen di dalam genom manusia. Di dalam tingkat sel, komponen bioaktif mengubah ekspresi gen melalui beberapa mekanisme, di antaranya secara langsung bertindak sebagai ligan (penyambung) untuk reseptor transkripsi, dimetabolisme lewat jalur primer atau sekunder mengubah konsentrasi substrat atau senyawa intermediate dan bertindak sebagai molekul yang memberikan sinyal untuk berlangsungnya regulasi genBeberapa kasus defisiensi mikronutrien disebabkan oleh gizi buruk (poor), sementara lainnya karena polimorfisme pada gen yang mengkode enzim-enzim yang terlibat dalam metabolisme mikro nutrien tersebut.

Sekitar 50 penyakit genetik manusia dapat dikaitkan dengan polimorfisme enzim dan dapat diperbaiki dengan pemberian asupan dosis tinggi vitamin yang berfungsi sebagai koenzimMisalnya cacat gen DNA : C 667 T untuk enzim metilenetetrahidrofolat reduktase sebagai koenzim FAD berkaitan dengan penyakit jantung dan migrain, kemudian cacat gen DNA C 131 GP (enzim glukosa 6 fosfat dehidrogenase) dengan NADP sebagai koenzim berhubungan dengan anemia hemofilik .

DM Tipe 2*

Interaksi Zat Makanan dan Gen pada Diabetes Melitus Type II Diabetes melitus type II merupakan kelainan metabolik yang ditandai dengan meningkatnya kadar glukosa darah akibat adanya resisensi insulin. Pada resistensi insulin, hati, otot, dan lemak tidak mempunyai respon terhadap insulin. Kadar glukosa darah yang stabil diperlukan untuk menyediakan energi bagi otak, otot, dan organ, dan kelebihan energi akan disimpan di jaringan lemak

Pada saat kadar glukosa dalam darah turun, sel-sel beta pankreas akan memproduksi glukagon, yang akan menstimulasi hati untuk mengubah glikogen menjadi glukosa dan melepaskan glukosa ke dalam darah sehingga kadar glukosa dalam darah naik. Pada saat kadar glukosa darah naik, sel alfa pankreas akan memproduksi insulin yang menahan glukosa tetap berada di dalam hati dan menstimulasi jaringan otot dan lemak untuk menyerap glukosa dari darah.

Banyak penelitian menyatakan bahwa diabetes melitus type II juga dipengaruhi oleh faktor genetik. Antara lain penelitian di Belanda menyatakan bahwa anak yang lahir dengan berat lahir rendah pada kondisi kelaparan di Amsterdam memiliki kadar glukosa darah post pandrial lebih tinggi. Penelitian di India menyatakan bahwa bayi dengan Body Mass Index(BMI) rendah pada 2 tahun pertama kehidupan memiliki risiko yang tinggi terkena diabetes. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa gizi buruk pada janin dan bayi menimbulkan pengaruh buruk pada mekanisme yang mengatur toleransi karbohidrat. Hal ini akan mempengaruhi struktur dan fungsi sel beta dan bisa merubah respon jaringan terhadap insulin.

Faktor makanan dan selain makanan yang berpengaruh terhadap phenotyps DM tp 2*

Kompleksitas genetik dari DM Tipe 2*

*Perkiraan lokasi 7 QTLs manusia yang berpengaruh pada DM tipe 2

Distibusi allele pada QTL1-7 secara teoritis pada 6 individu, dari individu sehat (A) dan penderita DM (F)(+) menunjukkan allele bersifat protektif terhadap DM tipe 2(0) menjukkan bahwa allele bersifat netral(-) menunjukkan bahwa allele bersifat merubah metabolisme yang mendukung terjadinya DM tipe 2.*Gen-gen dalam QTLs saling berinteraksi, dan sebagian QTLs & interaksi QTLs dipengaruhi oleh interaksi antara gen X dan lingkunganSecara sederhana: semakin banyak allele negatif yang dimiliki, semakin rentan individu tsb terhadap DM tipe 2

Perkembangan kondisi kesehatan 6 individu dengan kerentanan genetik & lingkungan yang berbedaSisi kiri: perbedaan kerentanan genetikSisi kanan: perbedaan gejala DM tipe 2 dengnan berjalannya waktu. Kisaran dari individu sehat (A) dan individu yang menderita DM (F)Ketebalan alur (path) menunjukkan perbedaan pengaruh lingkunganBeberapa individu (C & D) merubah gaya hidup sehingga mempengaruhi onset dan keparahan penyakit, sehingga dengan berjalannya waktu, dapat berakhir menjadi DM (seperti F) atau menjadi sehat (seperti A)*

Interaksi Zat Makanan dan Gen pada Diabetes Melitus Type II Diabetes melitus type II merupakan kelainan metabolik yang ditandai dengan meningkatnya kadar glukosa darah akibat adanya resisensi insulin. Pada resistensi insulin, hati, otot, dan lemak tidak mempunyai respon terhadap insulin. Kadar glukosa darah yang stabil diperlukan untuk menyediakan energi bagi otak, otot, dan organ, dan kelebihan energi akan disimpan di jaringan lemak

Pada saat kadar glukosa dalam darah turun, sel-sel beta pankreas akan memproduksi glukagon, yang akan menstimulasi hati untuk mengubah glikogen menjadi glukosa dan melepaskan glukosa ke dalam darah sehingga kadar glukosa dalam darah naik. Pada saat kadar glukosa darah naik, sel alfa pankreas akan memproduksi insulin yang menahan glukosa tetap berada di dalam hati dan menstimulasi jaringan otot dan lemak untuk menyerap glukosa dari darah.

Banyak penelitian menyatakan bahwa diabetes melitus type II juga dipengaruhi oleh faktor genetik. Antara lain penelitian di Belanda menyatakan bahwa anak yang lahir dengan berat lahir rendah pada kondisi kelaparan di Amsterdam memiliki kadar glukosa darah post pandrial lebih tinggi. Penelitian di India menyatakan bahwa bayi dengan Body Mass Index(BMI) rendah pada 2 tahun pertama kehidupan memiliki risiko yang tinggi terkena diabetes. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa gizi buruk pada janin dan bayi menimbulkan pengaruh buruk pada mekanisme yang mengatur toleransi karbohidrat. Hal ini akan mempengaruhi struktur dan fungsi sel beta dan bisa merubah respon jaringan terhadap insulin.

Gen yang berpengaruh terhadap DM tipe 2

Gen yang berpengaruh terhadap DM tipe 2

Gen yang berpengaruh terhadap DM tipe 2

Interaksi Zat Makanan dan Gen pada Metabolisme LipidLipid utama pada tubuh manusia adalah kolesterol dan trigliserida. Lipid bersifat tidak larut dalam air sehingga transportnya dalam darah dilakukan dalam bentuk lipoprotein yang bersifat larut dalam air. Lipoprotein merupakan makromolekul berbentuk sferis dengan inti non polar dikelilingi selubung permukaan yang mengandung lipid polar dan apolipoprotein. Lipid pada inti adalah trigliserol dan kolesteril ester, sementara lipid pada selubung adalah kolesterol bebas dan fosfolipid. Komponen protein pada lipoprotein disebut apolipoprotein. Sampai saat ini dikenal 16 jenis apolipoprotein yaitu apolipoprotein (apo) A-I, apoA-II, apo AIV, apo(a), apo B, apo CI, apo CII< apo CIII< apo CIV, apo D, apo E,apo F, apo G, apo H, apo I, dan apo J. Lipoprotein utama pembawa trigliserida adalah kilomikron dan very low density lipoprotein(VLDL), sementara untuk kolesterol adalah low density lipoprotein(LDL) dan high density lipoprotein(HDL)

Dislipidemi merupakan suatu kondisi di mana profil lipid buruk, yang biasanya ditandai dengan tingginya kadar LDL,VLDL, kilomikron, kolesterol dan trigliserid, dan kadar HDL rendah. Kadar HDL rendah merupakan bentuk dislipidemi yang paling banyak dijumpai pada pasien PJK dengan usia di bawah 60 th.

Terdapat hubungan dinamis antara nutrisi dan gen pada metabolisme lipid. Penelitian menunjukkan bahwa individu dengan gen tertentu ( gen yang mengandung alel APOA1*A) memiliki kadar LDL yang lebih tinggi dibandingkan individu dengan gen lain (gen yang mengandung alel APOA1*G) setelah melakukan perubahan komposisi diet monounsaturatedfatty acid(MUFA) dari 12% menjadi 22%. Penelitian yang lain menunjukkan bahwa konsumsi polyunsaturated fatty acid(PUFA) pada individu dengan gen tertentu akan menurun kan kadar HDL, sedangkan pada individu yang lain akan meningkatkan kadar HDL.

Human Genome Project (HGP) telah memetakan 30.000 gen pada DNA manusia. Salah satu dampak dari penemuan pengetahuan baru tersebut adalah berkembangnya cabang ilmu baru yaitu nutrigenomik.Nutrigenomik berasal dari dua kata yaitu nutrisi dan gen. Nutrigenomik adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara nutrisi dan genetik. Ilmu ini memberikan penjelasan bagaimana nutrisi bekerja di tingkat genetik. Setiap orang memiliki susunan genetik yang khas yang berbeda dengan orang lain. Oleh karena itu, pemberian nutrisi yang sama pada setiap orang akan memberikan efek yang berbeda. Kaitan ini terlihat dalam pengaruh makanan terhadap alergi dan kegemukan (obesitas). Ada orang yang memiliki alergi terhadap makanan tertentu dan ada yang tidak. Begitu pula ada orang yang mudah menjadi gemuk atau kurus dan ada pula yang tidak.Saat ini para ilmuwan sudah menemukan gen-gen yang mempengaruhi obesitas yaitu LEP, LEPR, PC1, MC4-R, NROB2, dan POMC. Sebuah terapi bisa jadi lebih efektif atau kurang efektif pada seorang pasien obesitas bergan tung pada profil genetiknya. Misalnya, terapi leptin akan efektif pada pasien yang terdapat mutasi pada gen leptin. Nutrigenomik membantu dokter untuk memilih pengobatan yang bersifat individu berdasarkan pada profil genetik pasien.

Lokasi Gen Obesitas dalam Kromosom

Gambaran Fenotip Utama Obesitas pada Manusia

MANFAAT NUTRIGENOMIKManfaat nutrigenomik untuk masa sekarang ini memang belum banyak dirasakan, karena untuk melakukan pemeriksaan gen masih memerlukan biaya yang mahal. Namun di masa yang akan datang, kemungkinan pemeriksaan gen akan lebih murah dan mudah dilakukan, karena penelitian tentang nutri genomik dewasa ini mulai berkembang dengan pesat. Diharapkan dengan bertambahnya pengetahuan dibidang ini, akan timbul pemahaman tentang bagaimana zat makanan mempengaruhi jalur metabolik dan homeostatik. Dengan demikian, dapat digunakan untuk mencegah perkembangan penyakit yang berhubungan dengan diet seperti diabetes type 2 dan obesitas.

*