Interacciones genético-ambientales en la salud humana

1. Interacciones genético-ambientales en la salud humana William J. Jo, M.S., Ph.D. Department of Nutritional Sciences and Toxicology University of California, Berkeley, CA, U.S.A. williamjo@berkeley.edu

2. Financiamiento National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS), National Institute of Health (NIH), USA Superfund Basic Research Program at UC Berkeley (SBRP)

3. Interacciones genético-ambientales en la salud humana • Variabilidad genética y su influencia en los efectos del ambiente sobre la salud humana • Identificando nuevos genes que influyen interacciones genético-ambientales • Determinación del genotipo a nivel de individuo (genotyping) • Perfilamiento funcional en levadura

4. Variabilidad genética y respuestas a estímulos medio ambientales • Diferencia en la respuesta de las personas hacia xenobióticos (e.g. fármacos, toxinas, toxicantes) → variabilidad genética • Algunos individuos o subpoblaciones estan más o menos propensos a desarrollar enfermedades a consecuencia de estar expuestos crónicamente a substancias tóxicas

5. Estudiando el impacto del medio ambiente en la salud humana Edad Salud / Enfermedad Ambiente Genética Determinar el rol de las variaciones en el genoma humano como modificadores de los efectos nocivos de contaminantes en el ambiente (i.e. interacciones genético-ambientales)

6. Los polimorfismos de un nucleótido son la fuente de variación mas comun • = single nucleotide polymorphism (SNP) • Variación en un nucleótido en la secuencia del DNA • SNP ≠ mutación, definidopor la frecuencia en la población (> 1%) • Se estimaque hay un SNP porcada 1,000 bp (~10,000,000) en el genomahumano

7. Como es que ciertos SNPs pueden influenciar en la salud humana? • No todos los SNPs interaccionan con el ambiente • SNPs con efectos en la actividad catalítica, función, estabilidad o niveles de expresión de proteinas implicadas con el metabolismo o detoxificación de xenobióticos • e.g. genotipo NAT2 en fumadores y asociación con cáncer de vejiga

8. Estudio de interacciones genético-ambientales • Retos: • ¿Qué genes determinan y/o alteran los riesgos de enfermedad a consecuencia de exposiciones a toxicantes en el medio ambiente? → 25,000 genes • Especificamente, ¿qué variantes (SNPs) en estos genes son las que estan asociadas a un incremento en riesgo? • Objetivos: • Comprender mecanismos de toxicidad • Identificar subpoblaciones susceptibles para diseñar estrategias de prevención y/o terapias con el propósito de preservar la salud pública

9. Interacciones genético-ambientales en la salud humana • Variabilidadgenética y suinfluencia en los efectos del ambientesobre la saludhumana • Identificandonuevos genes queinfluyeninteraccionesgenético-ambientales • Determinación del genotipo a nivel de individuo (genotyping) • Perfilamientofuncional en levadura

10. Benceno y hematotoxicidad • Clasificado por el IARC como un agente carcinogénico de tipo I • Asociado a un incremento del riesgo de leucemia • Exposición ocupacional y población en general • Humo de cigarrillo, emisiones vehiculares, gasolina y solventes

11. Estudiando los efectos nocivos del benceno en humanos • 250 trabajadores en fábricas de zapatos (Tianjin, China) expuestos al benceno comparados con 140 controles sin exposición. • Exposición al benceno disminuye los conteos de glóbulos blancos con respecto a controles (5,490±1,350 vs. 6,480±1,710 células por µl respectivamente; p < 0.0001) (Lan et al., 2004)

12. Identificando SNPs funcionales a través de la epidemiología molecular • Muestras de DNA de estos individuos fueron analizadas para determinar su genotipo • 1,433 SNPs candidatos localizados en 414 genes seleccionados de la base de datos SNP500Cancer (http://snp500cancer.nci.nih.gov) • Determinar si la presencia de algún SNP está corelacionado a un conteo menor de glóbulos blancos en el grupo con exposición

13. Determinando el genotipo de las personas a nivel de SNPs PCR de alelo específico Illumina Goldengate assay 1,433 SNPs = 1,433 experimentos por individuo ó 1 ensayo Illumina

14. Efectos de diversos SNPs en el número de glóbulos blancos

15. Interacciones genético-ambientales en la salud humana • Variabilidadgenética y suinfluencia en los efectos del ambientesobre la saludhumana • Identificandonuevos genes queinfluyeninteraccionesgenético-ambientales • Determinación del genotipo a nivel de individuo (genotyping) • Perfilamientofuncional en levadura

16. El arsénico, un agente carcinogénico • Clasificado por la IARC como un agente carcinogénico de tipo I • Contaminacion principalmente de origen natural • Exposición a través del agua potable • Alto riesgo de diversos cánceres y enfermedades pulmonares

17. Disminuir los niveles de proteína para estudiar la función de un gen X Opción 1 Gen mRNA Proteína Knock out Opción 2 Gen mRNA Proteína RNA interferencia (células humanas)

18. Perfilamiento funcional en levadura - Gen # 1 Cepa mutante # 1 - Gen # 2 Cepa mutante # 2 - Gen # 3 Cepa mutante # 3 • Se utiliza una colección de cepas mutantes, cada una deficiente en las dos copias de un gen diferente - Gen # 4757 Cepa mutante # 4757

19. Perfilamiento funcional en levadura ACAGATTTAACCCACACGGG GACTTACACTTACGTCCGAA GCACTACGAGTTACGATCAA GACACTGACTGACATCGAGA • Cada cepa mutante esta identificada de manera única por dos “etiquetas” moleculares (secuencia de 20bp) • Permite evaluar el crecimiento de todas las levaduras mutantes simultáneamente (Giaever et al., 2002)

20. Cómo identificar nuevos genes implicados en resistencia al arsénico Control Experimento # 1 + As Gen 1 confiere resistencia Control Experimento # 2 + As Gen 2 no confiere resistencia Total # de experimentos = 4,757! 3 réplicas biológicas, 3 concentraciones > 14,000!

21. Identificación de nuevos genes a través de la toxicogenómica Perfilamiento funcional

22. Contando etiquetas moleculares – intensidad α número de células ACAGATTTAACCCACACGGG GACTTACACTTACGTCCGAA 5*2 lecturas – réplicas técnicas Microarray

23. Ausencia del gen SAS2 en levadura resulta en susceptibilidad al arsénico • Curvas de crecimiento confiman resultados obtenidos por perfilamiento funcional • SAS2 es homólogo a MYST1 en humanos, codifican acetil-transferasa de la lisina 16 en la histona 4 (H4K16)

24. Estudiando la funcion de MYST1 mediante RNA interferencia CélulasUROtsa (epitelio de vejigaurinaria) sh-MYST1 sh-NSC Control Niveles de proteína MYST1 Niveles de proteína β-actina MYST1 MYST1 MYST1

25. Silenciamiento de MYST1 incrementa la susceptibilidad al arsénico en células humanas Control ↓MYST1

26. Silenciamiento de MYST1 reduce los niveles de acetilación de H4K16 sh-MYST1 sh-NSC Control • El incremento en susceptibilidad al arsénico podría estar asociado a la reducción en acetilación de H4K16 (cambio epigenético) • Rol potencial en expresión de genes en respuesta al arsénico o en reparación del DNA

27. Interacciones genético-ambientales en la salud humana • Variabilidad genética y su influencia en los efectos del ambiente sobre la salud humana • Identificando nuevos genes que influyen interacciones genético-ambientales • Determinación del genotipo a nivel de individuo (genotyping) • Análisis en paralelo de mutantes en levadura

28. Conclusiones • Existe la necesidad de incorporar el componente genético como factor modificante de los efectos nocivos de toxicantes en la salud humana • Existen diversos métodos para descubrir nuevos genes (y sus variantes) que interaccionan con el ambiente, dos son el genotyping y el perfilamiento funcional

29. Gracias por su atención!