Nutrigenómica y Nutrigenética: Una Realidad en la Nutrición y Salud Animal'

La aplicación de las técnicas de biología molecular y el éxito del Proyecto Genoma Humano han abierto una nueva era tanto en Medicina como en Nutrición. Uno de los descubrimientos claves de este proyecto es la presencia de diferencias en la secuenciación genética de cada individuo. Por este motivo, el efecto de los alimentos y sus componentes será diferente en cada individuo dependiendo del fondo genético que tenga. La era genómica ha traído cambios en las áreas de estudio relacionadas con la nutrición humana y poco a poco lo está haciendo en la nutrición animal. Tradicionalmente, las investigaciones en nutrición animal estaban dirigidas al estudio de deficiencias o excesos de nutrimentos en la dieta (Kore et al., 2008). Sin embargo, la revolución genómica ha impulsado el desarrollo de nuevas tecnologías que pueden ser aplicadas a la ciencia de la nutrición (Collins, et al, 2003).

En la actualidad, las investigaciones en nutrición animal están pasando de la fisiología a la biología molecular y a la genética. Estas últimas, se han integrado a una área de estudio llamada Genética Nutricional, la cual engloba a la Nutrigenética y a la Nutrigenómica, disciplinas que estudian la interacción de la dieta o de sus componentes con el genoma a nivel molecular, celular y sistémico; tienen el objetivo de utilizar la dieta para prevenir o tratar enfermedades, o simplemente para mejorar el estado de salud. En el área pecuaria, se espera que la nutrigenómica permita mejorar no solo la salud de los animales, sino también el rendimiento productivo y reproductivo de las diferentes especies de interés pecuario.

 

Figura 1. Interacciones gen-nutriente en nutrición molecular. Gillies, 2003.

 

La Nutrigenética, estudia las variaciones genéticas entre individuos y su respuesta ante los nutrimentos o ciertos componentes de la dieta (Figura 1). Tiene como objetivo formular dietas concretas para genotipos específicos (Simopoulos, 2010). Esta ciencia podrá identificar poblaciones o líneas genéticas que sean menos eficientes en la ingesta de ciertos alimentos, o en rutas metabólicas, de forma que se podrá sugerir recomendaciones de nutrición para un perfil genético con características particulares (Pérez, et al. 2005).

Por otro lado, la Nutrigenómica estudia las relaciones moleculares entre los estímulos nutricionales y la respuesta de los genes (Kaput y Rodríguez, 2004). Evalúa la influencia de los componentes de la dieta sobre la expresión genética, qué genes son inducidos y cuáles son reprimidos (Figura 1). Esta disciplina permitirá un mayor entendimiento de cómo los componentes de la dieta actúan como señales químicas que influyen en las rutas metabólicas, así como en el control de la homeostasis (Xacur-García et al., 2008). Asimismo, se podrá determinar la respuesta genética no solo al tipo de nutrimento o componentes de la dieta sino también a la cantidad que se consume, se podrá determinar qué componentes pueden tener efectos benéficos o dañinos para la salud (Towle et al., 1995).

 

La nutrigenómica se apoya en las ciencias “ómicas”: la transcriptómica, la proteómica y la metabolómica, que junto con la genómica, el genotipado y la bioinformática constituyen la disciplina llamada genómica funcional (Cuadro 1). 

El estudio de las disciplinas "ómicas" ha llevado a utilizar una gama de tecnologías de biología molecular, tanto convencionales como de nueva generación, tales como los southern, northern o western blotting, así como la PCR en tiempo real, el análisis serial de la expresión génica (SAGE) de fragmentos de DNA, y los arreglos de DNA (DNA Array o Chip de DNA), entre otras. Estas tecnologías permitirán comprender las intrincadas redes de interacción entre genes y nutrientes, orientando cada vez más hacia el concepto de las dietas de diseño en base al perfil genético de cada individuo o líneas genéticas.

 

El desarrollo de la Nutrigenómica en el área pecuaria representa una nueva oportunidad para la industria agroalimentaria, debido a que permitirá identificar y utilizar nuevos compuestos bioactivos presentes en los alimentos y realizar nuevas formulaciones. Se podrá mejorar la salud animal, evitar enfermedades o mejorar el comportamiento productivo de los animales tomando en cuenta su constitución genética y los factores ambientales que interactúan con el genoma. Asimismo, se podrán elaborar alimentos para poblaciones o grupos de riesgo, genéticamente susceptibles a enfermedades relacionadas con la nutrición.

 

La nutrigenómica permitirá tener sistemas productivos más eficientes al comprender la interacción gen-nutriente y sus efectos sobre la eficiencia productiva y la salud de los animales (Figura 2).

La utilización de nuevos ingredientes o compuestos bioactivos será de utilidad en la regulación de la expresión de genes relacionados con indicadores de productividad o genes que influyan en la reproducción animal (Dawson, 2006; Zdunczyk et al., 2009).

Asimismo, se tendrá un impacto positivo en la industria de la leche, al modular genéticamente la síntesis de proteínas o metabolitos que podrán permitir tener un mejor producto, o productos con características específicas para el consumo humano.

El empleo de dietas específicas podrá mejorar la calidad de la carne de líneas de animales genéticamente susceptibles a alteraciones metabólicas bajo situaciones de estrés. Tendrá un impacto favorable en la industria de la carne al producir animales con una mejor calidad tanto de la canal como de la carne, y mediante estudios de transcriptomas se entenderá mejor el papel de los genes de interés económico sobre las diferentes rutas metabólicas.

Una adecuada nutrición podría encender y apagar factores de riesgo genéticos para ciertas enfermedades que se presenten en las diferentes etapas de vida de los animales.

La modulación del sistema inmune intestinal a través del empleo de alimentos o proteínas funcionales podrá disminuir el estado de estrés en los animales, se podrá mantener un estatus inmunológico adecuado que le permita al animal tener un intestino saludable. 

Figura 2. Aplicación de la Nutrigenómica en la alimentación y producción animal. Ghormade et al., 2011.

 

La alimentación del lechón recién destetado, es uno de los aspectos más críticos en las explotaciones porcinas. El destete es un evento fisiológico con un efecto negativo, pero temporal sobre la integridad de las vellosidades intestinales del lechón (Pluske et al., 1997).

Con la finalidad de evitar el daño que sufre la mucosa intestinal del neonato, las dietas de preiniciación e iniciación están formuladas empleando alimentos funcionales, compuestos bioactivos, fitoquímicos o ingredientes con un elevado valor nutrimental. Entre estos alimentos se pueden citar a los probióticos, prebióticos, plasma animal, aminoácidos, ácidos orgánicos, ácidos grasos de cadena corta, aceites esenciales, fórmulas lácteas, aminoácidos y nucleótidos.

Los nucleótidos son ampliamente utilizados en nutrición humana (Millán-Jiménez, 2005) y empiezan a tener impacto en la nutrición animal debido a que tienen efectos benéficos a nivel intestinal en animales jóvenes, se cree que modulan la respuesta inmune, modifican microbiota intestinal (Yu, 2002) y regulan la expresión de genes.

Diferentes estudios han mostrado, que los nutrientes de la dieta tienen efectos sobre la expresión de genes en la mayoría de los tejidos y órganos (Berdanier y Hargrove, 1993), sin embargo, existe poca evidencia experimental que demuestre que los nutrientes también pueden tener un efecto directo sobre la expresión de genes dentro del tracto gastrointestinal (Kruk y Bottema, 2005).

Por lo que para determinar el efecto de los nucleótidos exógenos sobre la expresión de genes a nivel intestinal y sobre la integridad de las vellosidades intestinales, se realizó un estudio en el que 60 lechones destetados a 21 días de edad fueron asignados aleatoriamente a uno de tres tratamientos. El tratamiento 1 o grupo control (n=20), fue una dieta base maíz-soya con un aporte de 3.4 MC/kg de EM, balanceada según las recomendaciones del NRC. El tratamiento 2 (Ye06) (n=20) fue la dieta control más una inclusión de 1000 ppm de un extracto de levaduras que contenía una mezcla de nucleótidos compuesta por 2.6% de 5´GMP (5’Guanosín monofosfato) y 3.6% de 5´IMP (5’Inosin monofosfato). El tratamiento 3 (Ye12) (n=20) fue la dieta control más una inclusión de 1000 ppm del extracto de levadura pero con un aporte mayor de la mezcla de nucleótidos, 5.0 % de 5´GMP y 5.5% de 5´IMP. A los 28 días de edad, 5 lechones de cada tratamiento fueron sacrificados. Se diseccionó el intestino delgado y se tomaron muestras de yeyuno las cuales se utilizaron para el estudio de histología así como para el de expresión genética. Se hicieron cortes histológicos del tejido, se montaron en laminillas y se tiñeron con HE. Cada laminilla se digitalizó, y se midió la altura de 10 vellosidades así como la profundidad de las criptas. Los datos se analizaron utilizando un análisis de varianza bajo un modelo lineal en el que se incluyó el efecto de la dieta, el del animal y el del error experimental. Las medias de los tratamientos se compararon en base a una prueba de Tukey.

Para el estudio de expresión génica, se evaluó el nivel de expresión de los genes que codifican para el Factor de Crecimiento Epitelial (EGF) y su receptor (EGFR), los cuales están relacionados con el desarrollo y la renovación celular. Se purificó el ARN total de las muestras de yeyuno con el método descrito por Chomezynki y Sacchi (1987). El ARNt se utilizó para sintetizar ADNc y los oligo-nucleótidos de iniciación para los genes de interés se diseñaron usando el software Primer3 (http://frodo.wi.mit.edu/cgi-bin/primer3/primer3_www.cgi). La cuantificación de la expresión se llevó a cabo por PCR en tiempo real usando el equipo Step One (Applied Biosystems, CA, USA). Se utilizó Syber green® como fluorocromo de detección y β-actina como control interno.

Los resultados mostraron, que la inclusión de nucleótidos en la dieta de iniciación disminuyó la atrofia de las vellosidades intestinales de los lechones en comparación con la dieta control (P<0.05).Asimismo, se observó que la concentración de nucleótido tuvo un efecto positivo. La dieta que contuvo la contracción más alta de nucleótidos mantuvo vellosidades de mayor longitud, en comparación con la dieta de menor concentración, así como con la dieta control (Figura 3).

Figura 3 Promedio de la longitud de las vellosidades intestinales en el yeyuno de lechones recién destetados, alimentados con una dieta con nucleótidos: 5’Guanosín monofosfato (5’GMP) y 5’Inosin monofosfato (5’IMP). Literales diferentes indican diferencia significativa P<0.05.

Mediante PCR en tiempo real se observó que la inclusión de nucleótidos en la dieta para lechones recién destetados incrementó significativamente (P<0.05) el nivel de expresión de los genes que codifican para el factor de crecimiento epitelial (EGF) y su receptor (EGFR). Estos resultados sugieren que los nucleótidos exógenos modulan la expresión de genes con actividad mitogénica involucrados en la renovación del epitelio intestinal tras una alteración en su estructura, lo cual coincide con lo reportado con por Nair et al., (2008). No obstante, la fisiología intestinal del neonato está regulada por la activación y la supresión de cientos de genes, los cuales interactúan entre sí y con los componentes de la dieta así como con el medioambiente para poder mantener un intestino saludable o para responder ante una alteración de la homeostasis. Por lo que es necesario realizar otro tipo de estudios, en los que de forma masiva se pueda evaluar el efecto de los nucleótidos sobre el conjunto de transcriptomas a nivel intestinal en el lechón bajo las condiciones medioambientales que se presentan al destete. De esta forma se podrá determinar el papel de los nucleótidos en la regulación de la expresión de genes a nivel intestinal y ampliar el conocimiento de los mecanismos moleculares que tienen estas moléculas a nivel intestinal.

 

En los últimos años, las investigaciones en nutrición han cambiado. La nutrigenómica se ha convertido en un campo multidisciplinario de la ciencia nutricional que compromete investigaciones que tienen como objetivo, dilucidar cómo la dieta puede influir en la salud y en la producción. Los compuestos bioactivos de los alimentos pueden interactuar con los genes que regulan factores de transcripción, expresión de proteínas y producción de metabolitos. El estudio de estas complejas interacciones requiere el desarrollo de métodos avanzados de análisis junto con la bioinformática. Asimismo, para llevar a cabo estos estudios, se requiere de nuevos enfoques, como las ciencias ómicas, elaborando una integración adecuada de la información que proporcionan estas disciplinas.