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

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

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

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

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)

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, definido por la frecuencia en la población (> 1%) Se estima que hay un SNP por cada 1,000 bp (~10,000,000) en el genoma humano

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

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

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

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

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)

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

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

Efectos de diversos SNPs en el número de glóbulos blancos

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

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

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)

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

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)

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!

Identificación de nuevos genes a través de la toxicogenómica Perfilamiento funcional

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

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)

Estudiando la funcion de MYST1 mediante RNA interferencia Células UROtsa (epitelio de vejiga urinaria) sh-MYST1 Control sh-NSC Niveles de proteína MYST1 Niveles de proteína β-actina MYST1 MYST1 MYST1

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

Silenciamiento de MYST1 reduce los niveles de acetilación de H4K16 sh-MYST1 Control sh-NSC 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

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

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

Gracias por su atención!