REVIEW JURNAL "SYSTEMS NUTRIGENOMICS REVEALS BRAIN GENE NETWORKS LINKING METABOLIC AND BRAIN DISORDERS"

MAKALAH REVIEW JURNAL

MATA KULIAH GIZI DAN DIET KHUSUS

SYSTEMS NUTRIGENOMICS REVEALS BRAIN GENE NETWORKS LINKING METABOLIC AND BRAIN DISORDERS

1.   Latar Belakang

Gangguan metabolik (MetDs) seperti sindrom metabolik, obesitas, dan diabetes tipe 2 (DM 2) menjadi ancaman kesehatan dunia karena prevalensi dan tingkat kematianya yang tinggi, serta meningkatkan patologis gangguan saraf dan psikologis (Bomfim et al., 2012; Farooqui et al., 2012, Lowette et al., 2015). Fruktosa merupakan pemanis soft drink dan pangan olahan di industri yang selama ini dianggap “aman dan sehat” (Chassaing et al., 2015, Suez et al., 2014). Padahal fruktosa dalam bentuk high fructose syrup (HFS) adalah kontributor gangguan metabolik (Lyssiotis and Cantley, 2013, Lustig et al., 2012). Fruktosa menginduksi gangguan metabolik dengan cara mereduksi hippocampal-dependent memory (Agrawal and Gomez-Pinilla, 2012) dan memperparah patologi gangguan otak pada hewan pengerat (Agrawal et al., 2015). Sebaliknya, Asam lemak omega-3 docosahexaenoic acid (DHA) dapat menurunkan resiko gangguan metabolik (Steffen et al., 2015, Virtanen et al., 2014, De caterina, 2011), dan menetralkan efek negatif fruktosa terhadap fungsi dan plastisitas otak (Bremer et al., 2014, Agrawal and Gomez-Pinilla, 2012).

Dalam tinjuauan diet khusus, diet suatu individu atau kelompok bersifat personal. Hal ini dikarenakan berbagai faktor internal maupun eksternal lingkungan hidupnya. Secara spesifik, faktor yang mempengaruhi adalah genetik individu yang berbeda satu dengan yang lain. Karena itu penelitian gizi dan diet khusus perlu ditinjau dari segi fenotip dan genotip. Pada penelitian ini akan ditinjau pengaruh konsumsi fruktosa dan DHA terhadap gangguan metabolik yang diamati dari segi fenotip maupun genotip. Hal ini karena setiap makanan yang masuk ke dalam tubuh dianggap sebagai sinyal yang dapat mempengaruhi aktivitas gen di dalam tubuh. Selain itu, makanan juga diketahui dapat mengubah struktur gen dan menimbulkan berbagai perubahan ekspresi gen yang ditunjukkan pada perubahan fenotip. Salah satunya fenotip gangguan metabolik.

2.   Metode

Pada penelitian ini, tikus dibagi menjadi 3 kelompok dan diberi perlakuan seperti pada Gambar 1. Selanjutnya dilakukan analisa dari segi genotip maupun fenotip. Setelah diperoleh hasil genotip dan fenotip, digunakan knockout mice untuk validasi gen yang diprediksi berpengaruh, serta untuk mengetahui perubahan fenotipnya. Terakhir, hasil penelitian diintegrasikan dengan analisa menggunakan Human Genome-Wide Association Studies (GWAS) agar hasil penelitian sesuai dengan patofisiologi pada manusia.

Gambar 1. Desain penelitian

3.   Hasil dan Pembahasan

Hasil analisa fenotip penelitian tersebut terlihat pada Gambar 2 dimana tikus yang mengkonsumsi fruktosa mengalami peningkatan kadar gula darah, trigliserida, insulin, dan indeks resistensi insulin yang signifikan, juga mengalami kelemahan interval memori berkepanjangan pada Barnes Maze test. Sedangkan tikus yang mengkonsumsi fruktosa+ DHA memiliki kadar gula darah, trigliserida, insulin, dan indeks resistensi insulin yang lebih rendah dan interval memori yang lebih baik pada Barnes Maze test.

Gambar 2. Hasil analisa fenotip pada 3 kelompok tikus

            Selain dari karakteristik fenotip yang tampak, ternyata konsumsi fruktosa dan DHA menunjukkan pengaruh terhadap perubahan ekspresi gen pada hipotalamus dan hipokampus yang ditunjukkan pada heatmap (Gambar 3). Jika dibandingkan dengan kontrol, tikus yang mengonsumsi fruktosa menunjukkan ekspresi gen yang rendah (warna biru) pada gen yang seharusnya diekspresikan dengan tinggi (warna merah). Begitupula sebaliknya, beberapa gen yang seharusnya diekspresikan dengan tinggi di tikus kontrol normal, justru diekspresikan dengan rendah di hipotalamus dan hipokampus tikus yang mengonsumsi fruktosa. Hal ini menunjukkan bahwa fruktosa mengacaukan ekspresi gen normal.

Pada tikus yang mengonsumsi fruktosa dan DHA ditunjukkan bahwa hipotalamus dan hipokampusnya mampu mengekspresikan gen yang yang lebih sesuai dengan kontrol, dibandingkan dengan tikus yang hanya mengonsumsi fruktosa saja. Hal ini menunjukkan bahwa DHA mampu memperbaiki perubahan ekspresi gen yang sebelumnya dikacaukan oleh konsumsi fruktosa. Namun, sekalipun DHA mampu memperbaiki perubahan ekspresi gen, DHA tidak dapat sepenuhnya mengembalikan ekspresi gen sebagaimana tikus kontrol (normal) yang tidak mengonsumsi fruktosa sama sekali. Hal ini ditunjukkan dari perbandingan warna heatmap hipotalamus dan hipokampus tikus kontrol dan F+D yang tidak sama persis.

Gambar 3. Ekspresi gen pada hipotalamus dan hipokampus tikus kontrol (Ctrl), tikus yang mengonsumsi fruktosa (fructose), dan tikus yang mengonsumsi fruktosa+DHA (F+D)

Berdasarkan hasil analisis genotip, ditunjukkan bahwa gen Bgn dan Fmod merupakan gen yang secara konsisten dipengaruhi oleh konsumsi fruktosa dan DHA. Dimana kedua gen tersebut bertanggung jawab terhadap gangguan metabolik di hipotalamus (Gambar 4a) dan hipokampus (Gambar 4b) tikus percobaan.

Gambar 4. Key Driver (KD) gen yang dipengaruhi oleh konsumsi fruktosa dan DHA (a) di hipotalamus dan (b) di hipokampus

Setelah diketahui gen Fmod dan gen Bgn yang dipengaruhi oleh konsumsi fruktosa dan DHA berhubungan dengan gangguan metabolik, maka dilakukan validasi gen pada knockout mice Bgn dan Fmod, serta untuk mengetahui perubahan fenotipnya. Hasilnya dapat dilihat pada Gambar 5 (a-g). Dimana trigliserida, total kolesterol, HDL, kolesterol tidak teresterifikasi meningkat baik pada knockout mice Fmod maupun Bgn. Sedangkan LDL meningkat di knockout mice Bgn dan asam lemak bebas (FFA) meningkat di knockout mice Fmod. Juga terjadi penurunan glukosa plasma, insulin, dan resistensi insulin pada knockout mice Fmod. Selain itu, knockout mice Bgn dan Fmod melakukan lebih sedikit kesalahan pada Barner Maze Test daripada wild type.

Gambar 5. Hasil uji fenotip knockout mice Bgn dan Fmod dibandingkan dengan wild type

Hasil penelitian ini diintegrasikan dengan human GWAS. GWAS adalah studi observasional dari varian genom-wide varian genetik pada individu yang berbeda. GWAS fokus pada hubungan antara polimorfisme nukleotida tunggal (SNP) dan sifat seperti penyakit manusia utama, namun sama-sama dapat diterapkan pada organisme lain. Hasilnya, gen yang dipengaruhi oleh fruktosa overlap dengan gen human GWAS yang berhubungan dengan gangguan otak (ADHD, depresi, Alzheimer, kecanduan, dan Parkinson) dan gangguan metabolik (hipertensi, penyakit kardiovaskuler, obesitas, dan DM 2 (Tabel 1)

Tabel 1. Enrichment human GWAS pada fruktosa dan KDs oleh SSEA

4.   Kesimpulan

Fruktosa memprogram ulang substrat molekuler sehingga mempengaruhi perubahan gen di otak yang bersifat patologi pada metabolisme sel, sistem imun, inflamasi, dan komunikasi sel. Gen yang dipengaruhi khususnya Bgn dan Fmod. Sedangkan suplementasi DHA dapat memperbaiki kerusakan secara genomik, epigenomik, jaringan, dan fenotip yang disebabkan oleh fruktosa melalui gen yang sama (Bgn dan Fmod) yang dapat mengontrol keseimbangan antara sehat dan sakit.

5.   Keunggulan dan Kelemahan Jurnal

Keunggulan jurnal ini dipaparkan sebagai berikut:

a.    Analisa diet khusus yang ditinjau dari segi fenotip yang tampak dan genotip melalui sistem nutrigenomik. Sehingga diperoleh data yang berkesinambungan antara pengaruh konsumsi makanan tertentu terhadap perubahan genetik, dan perubahan genetik (genotip) terhadap perubahan fisiologis tubuh (fenotip)

b.    Data fenotip hasil penelitian lengkap, meliputi analisa kadar kolesterol, trigliserida darah, kolesterol tidak teresterifikasi, asam lemak bebas, kadar insulin, resistensi insulin, kadar glukosa darah, dan tes ingatan/memori menggunakan Barnes Maze Test

c.     Data genotip hasil penelitian lengkap, meliputi analisa biological pathway yang dipengaruhi oleh fruktosa dan DHA pada hipokampus dan hipotalamus, ekspresi gen, metilasi DNA, KD gen, dan RNA sequencing.

d.    Validasi gen yang berpengaruh menggunakan knockout mice Bgn dan Fmod yang diuji secara fenotip

e.    Data yang diperoleh diintegrasikan dengan human GWAS agar hasil penelitian sesuai dengan patofisiologi pada manusia, sehingga hasil penelitian ini saling terintegrasi.

6.   Kelemahan Jurnal dan Saran

Jurnal yang dibahas ini selain memiliki kelebihan juga memiliki kekurangan. Tabel berikut menunjukkan kelemahan jurnal ini dan saran perbaikan dengan rincian sebagai berikut:

No	Kekurangan	Saran
1	Penelitian jangka pendek (short term)	Perlu dilakukan penelitian jangka panjang untuk menganalisa pengaruh konsumsi fruktosa dalam diet jangka panjang (long term)
2	Uji kadar glukosa darah	Pada uji kadar glukosa darah tidak ada perbedaan nyata antara yang diberi fruktosa maupun fruktosa+DHA. Seharusnya dilakukan uji kadar fruktosa darah, karena sampel yang dikonsumsi adalah fruktosa bukan glukosa
3	Hanya fokus di bagian otak hipotalamus dan hipokampus	Perlu diteliti pengaruh fruktosa dan DHA di jaringan atau sel tubuh lainnya

DAFTAR PUSTAKA

Jurnal Utama

Meng Q, Ying Z, Noble E, Zhao Y, Agrawal R, Mikhail A, Zhuang Y, Tyagi E, Zhang Q, Lee JH, Morselli M, Orozco L, Guo W, Kilts TM, Zhu J, Zhang B, Pellegrini M, Xiao X, Young MF, Gomez-Pinilla F, Yang X. 2016. Systems Nutrigenomics Reveals Brain Gene Networks Linking Metabolic and Brain Disorders. [Research Paper]. EBioMedicine 7 (2016) 157–166.

Jurnal Pendukung

Agrawal, R., Gomez-Pinilla, F., 2012. ‘Metabolic syndrome’ in the brain: deficiency in omega-3 Fatty Acid Exacerbates Dysfunctions in Insulin Receptor Signalling and Cognition. J. Physiol. 590, 2485–2499.

Agrawal, R., Noble, E., Vergnes, L., Ying, Z., Reue, K., Gomez-Pinilla, F. 2015. Dietary Fructose Aggravates The Pathobiology of Traumatic Brain Injury by Influencing Ener Homeostasis And Plasticity. Journal of Cerebral Blood Flow  Metabolism 2016, Vol. 36 (5) 941–953

Bomfim, T.R., Forny-Germano, L., Sathler, L.B., Brito-Moreira, J., Houzel, J.C., Decker, H. Silverman, M.A., Kazi, H., Melo, H.M., Mcclean, P.L., Holscher, C., Arnold, S.E., Talbot, K., Klein, W.L., Munoz, D.P., Ferreira, S.T., De Felice, F.G. 2012. An Anti-Diabetes Agent Protects The Mouse Brain from Defective Insulin Signaling Caused by Alzheimer's Disease-Associated Abeta Oligomers. J. Clin. Invest. 122, 1339–1353.

Chassaing, B., Koren, O., Goodrich, J.K., Poole, A.C., Srinivasan, S., Ley, R.E., Gewirtz, A.T. 2015. Dietary Emulsifiers Impact The Mouse Gut Microbiota Promoting Colitis An Metabolic Syndrome. Nature 519, 92–96.

De Caterina, R., 2011. n-3 Fatty Acids in Cardiovascular Disease. N. Engl. J. Med. 364, 2439-2450.

Farooqui, A.A., Farooqui, T., Panza, F., Frisardi, V. 2012. Metabolic Syndrome as A Risk Factor for Neurological Disorders. Cell. Mol. Life Sci. 69, 741–762.

Lowette, K., Roosen, L., Tack, J., Vanden Berghe, P., 2015. Effects of High-Fructose Diets on Central Appetite Signaling and Cognitive Function. Front. Nutr. 2, 5.

Lustig, R.H., Schmidt, L.A., Brindis, C.D. 2012. Public Health: The Toxic Truth About Sugar. Nature 482, 27–29.

Lyssiotis, C.A., Cantley, L.C. 2013. Metabolic syndrome: F stands for fructose and fat. Nature 502, 181–182.

Steffen, B.T., Steffen, L.M., Zhou, X., Ouyang, P., Weir, N.L., Tsai, M.Y. 2015. n-3 Fatty acids Attenuate The Risk of Diabetes Associated With Elevated Serum Nonesterified Fatty Acids: The Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis. Diabetes Care 38, 575–580.

Suez, J., Korem, T., Zeevi, D., Zilberman-Schapira, G., Thaiss, C.A., Maza, O., Israeli, D., Zmora, N., Gilad, S., Weinberger, A., Kuperman, Y., Harmelin, A., Kolodkin-Gal, I., Shapiro, H., Halpern, Z., Segal, E., Elinav, E. 2014. Artificial Sweeteners Induce Glucose Intolerance by Altering The Gut Microbiota. Nature 514, 181–186

Tyagi, E., Zhuang, Y., Agrawal, R., Ying, Z., Gomez-Pinilla, F. 2015. Interactive Actions of Bdnf Methylation and Cell Metabolism for Building Neural Resilience Under The Influence Of Diet. Neurobiol. Dis. 73, 307–318.

Virtanen, J.K., Mursu, J., Voutilainen, S., Uusitupa, M., Tuomainen, T.P. 2014. Serum Omega-3 Polyunsaturated Fatty Acids and Risk Of Incident Type 2 Diabetes in Men: The Kuopio Ischemic Heart Disease Risk Factor Study. Diabetes Care 37, 189–