Abstrakt

Cukrzyca jest chorobą metaboliczną dotycząca prawie 347 milionów ludzi na świecie. Do najgroźniejszych następstw należą jej przewlekle powikłania: retinopatia, nefropatia oraz neuropatia. Wyniki najnowszych badań wskazują na istotny udział epigenetycznej regulacji genów w rozwoju przewlekłych powikłań cukrzycowych. Pod wpływem hiperglikemii zaburzeniu ulega aktywność enzymów biorących udział w potranslacyjnej modyfikacji histonów (post-translational histone modifications, PTHMs) oraz metylacji DNA. Prowadzi to do modyfikacji struktury chromatyny, zmienia się ekspresja wielu genów zaangażowanych m.in. w inicjowanie przewlekłego procesu zapalnego, takich jak NF-KAPPAB (gen transkrypcyjnego czynnika jądrowego kappa B), TNFα (gen czynnika martwicy nowotworu), IL6 (gen interleukiny 6) czy MCP1 (gen białka chemotaktycznego dla monocytów). Nasila to uszkodzenie komórek śródbłonka, najważniejszego wykładnika przewlekłych powikłań cukrzycowych. Ponadto epigenetyczne modyfikacje struktury chromatyny pozwalają wyjaśnić zjawisko “pamięci metabolicznej”, czyli obecności patologicznych ścieżek metabolicznych wynikających z wcześniejszych epizodów hiperglikemii, mimo późniejszego, ścisłego wyrównania metabolicznego cukrzycy.

Wstęp

Cukrzyca jest chorobą metaboliczną spowodowaną niewłaściwym działaniem insuliny (cukrzyca typu 2, DM2) lub całkowitym brakiem tego hormonu (cukrzyca typu 1, DM1) [20,22]. Obecnie chorobę rozpoznano prawie u 347 milionów ludzi na świecie [5]. Najgroźniejszymi następstwami są jej przewlekłe powikłania, takie jak: retinopatia, nefropatia czy neuropatia, które mogą spowodować utratę wzroku, rozwój schyłkowej niewydolności nerek czy amputację stóp [11]. Istotne jest zatem prowadzenie badań mających na celu zapobieganie oraz intensyfikacje leczenia tych powikłań. Najnowsze wyniki badań wskazują na istotny udział epigenetycznej regulacji genów w rozwoju przewlekłych powikłań cukrzycowych [21,23]. Coraz szersze grono naukowców zajmuje się tym zagadnieniem, aby jak najdokładniej wyjaśnić i zrozumieć epigenetyczne mechanizmy prowadzące do przewlekłych wielonarządowych zmian patologicznych wynikających ze szkodliwego oddziaływania hiperglikemii. Wydaje się, że w przyszłości wyniki tych badań mogą zaowocować wprowadzeniem skutecznych terapii mających na celu zahamowanie, a nawet zapobieganie rozwojowi przewlekłych powikłań u osób chorych na cukrzycę [28,29].

Modyfikacje struktury chromatyny

Epigenetyka

Termin “epigenetyka” pierwszy raz został użyty przez C. H. Waddingtona w 1938 r., w celu wskazania gałęzi badań biologicznych zajmujących się zrozumieniem pojawiania się określonych fenotypów w  wyniku oddziaływań między genami i produktami ich ekspresji [24].

Obecnie termin ten dotyczy głównie badań nad zmianami w ekspresji genów, które podlegają dziedziczeniu i nie są związane ze zmianą sekwencji DNA [9]. Ponadto, epigenetyka zajmuje się oddziaływaniem czynników środowiskowych na ekspresję genów, czego skutkiem są różnice fenotypowe [11]. Jednym z mechanizmów epigenetycznych jest modyfikacja struktury chromatyny, która wynika z potranslacyjnej modyfikacji histonów (post-translational histone modifications, PTHMs) oraz metylacji nici DNA [4,26].

Chromatyna to struktura występująca w jądrze komórkowym, jest zbudowana z DNA, histonów oraz białek niehistonowych [18]. Wyróżnia się dwa rodzaje chromatyny: aktywną genetycznie euchromatynę, która wykazuje stosunkowo luźną strukturę oraz silnie upakowaną, nieaktywną transkrypcyjnie heterochromatynę. Na upakowanie chromatyny wpływają odziaływania między nicią DNA a histonami, które wynikają z PTHMs oraz metylacji DNA, zależnych od specyficznych enzymów (ryc. 1) [10].

PTHMs oraz metylowane regiony DNA w zależności od panujących warunków ulegają odwracalnym lub nieodwracalnym zmianom. Dlatego dynamiczne zmiany struktury chromatyny pod wpływem bodźców środowiskowych są najważniejszym elementem kontroli ekspresji genów [4].

Potranslacyjna modyfikacja histonów (PTHMs)

Histony ulegają licznym modyfikacjom: acetylacji lizyny (K), metylacji K, fosforylacji seryny (S) i treoniny (T) czy ubikwitynacji K [14,19]. Zmienia to siły oddziaływania między tymi białkami a nicią DNA, a to zmienia stopień upakowania chromatyny i przyspiesza lub hamuje proces transkrypcji [4]. Proces acetylacji jest najczęściej związany z aktywacją transkrypcji, natomiast deacetylacja z jej wyciszeniem. Procesy te są regulowane przez acetylazy (histone acetylases, HATs) oraz deacetylazy (histone deacetylases, DHATs) [18]. Proces metylacji może natomiast prowadzić zarówno do aktywacji, jak i wyciszenia transkrypcji [19]. Za markery euchromatyny są uważane H3K4me1, H3K4me2 oraz H3K4me3, natomiast obecność me1, me2 czy me3 w H3K9, H3K27 świadczy o obecności heterochromatyny [16]. Proces metylacji histonów regulują metylotransferazy (histone methyltransferases, HMTs) [1].

Metylacja DNA

Metylacja DNA jest to proces kowalencyjnego przyłą- czania grup metylowych (-CH3 ) do zasad azotowych nukleotydów, najczęściej cytozyny. Proces jest katalizowany przez DNA-metylotransferazy (methyltransferase, DNMT) [10]. Donorem grup metylowych jest S-adenozylo-L-metionina (AdoMet), która w wyniku tej reakcji przekształca się w S-adenozylo-L-homocysteinę (AdoHcy) [25]. Wzór metylacji DNA jest cechą charakterystyczną danego gatunku, tkanki, a nawet typu komórki i ulega dużym zmianom w czasie rozwoju embrionalnego [14]. Metylacja DNA jest typowa dla rejonów bogatych w powtórzenia cytozyna-guanina. Regiony te są nazywane „wyspami dinukleotydów cytozyna-guanina, CpG”. Stopień nasilenia metylacji jest związany z wyciszeniem lub wzmocnieniem transkrypcji. Niski poziom metylacji nasila ekspresję genów, natomiast silna metylacja rejonów CpG wycisza proces [8]. Metylacja wysp CpG regionów promotorowych jest ważnym czynnikiem regulacji ekspresji genów istotnych dla rozwoju osobniczego (dojrzewania/remodelingu tkanek) dojrzewania płodu, ale również starzenia się organizmu [3].

Udział epigenetycznej modyfikacji struktury chromatyny w rozwoju przewlekłych powikłań cukrzycowych PTHMs a rozwój przewlekłych powikłań cukrzycowych

Najnowsze wyniki badań wskazują, że hiperglikemia (zarówno ostra, jak i  przewlekła) zaburza pracę enzymów regulujących PTHMs, co zmienia ekspresję wielu genów [23]. W badaniu przeprowadzonym na linii komórek monocytarnych zaobserwowano, że hiperglikemia zwiększa aktywność HATs, a to koreluje ze zwiększoną acetylacją histonów w rejonie promotorowym podjednostki p65 jądrowego czynnika transkrypcyjnego NF-kappa B (nuclear factor kappa B, Nf-κB), pełniącego istotną rolę w procesach zapalnych [12]. W innym badaniu zaobserwowano, ze hiperglikemia aktywuje swoistą HMT – SET7 (histone-lysine N-methyltransferase), która metylując H3Lys4, wywołuje stałe zmiany ekspresji genów biorących udział w inicjowaniu procesu zapalnego w komórkach śródbłonka i monocytach. Wykazano, że delecja tego enzymu hamuje ekspresję NF-κB oraz zależnych od tego czynnika transkrypcyjnego prozapalnych cytokin, np. czynnika martwicy nowotworu alpha (tumor necrosis factor a, TNF-a) czy interleukiny 1 beta (IL-1β) [2].

Prowadzone na coraz szerszą skalę badania eksperymentalne, mające wyjaśnić udział czynników epigenetycznych w rozwoju przewlekłych powikłań cukrzycowych, wskazują, że modyfikacje chromatyny wywołane hiperglikemią mogą być nieodwracalne, co może tłumaczyć istnienie tzw. „pamięci metabolicznej”, czyli przetrwa- łej po stosunkowo krótkim okresie hiperglikemii zmian ekspresji genów/białek decydujących o powstaniu odległych objawów powikłań naczyniowych [6]. Wykazano, że inkubacja ludzkich kardiomiocytów w  warunkach hiperglikemii obniża ilość swoistej HMT – Suv39h1, regulującej metylację H3K9, co w konsekwencji zwiększa ekspresje IL-6. Wynik nie zmienił się po traktowaniu kardiomiocytów medium z prawidłowym stężeniem glukozy po zakończeniu części eksperymentalnej z zastosowaniem dużych stężeń glukozy [28]. W innym badaniu przeprowadzonym na komórkach siatkówki szczurów z cukrzycą wykazano, że hiperglikemia zmniejsza stężenie H3K4me1 na regionie enhancerowym genu sod2 oraz zwiększa aktywność demetylazy LSD1 na promotorze genu sod2. Wynik pozostał niezmienny nawet po traktowaniu tych komórek medium z prawidłowym stężeniem glukozy [29].

Wpływ metylacji DNA na przewlekle powikłania cukrzycowe

Wyniki badań epigenetycznych dotyczących wpływu hiperglikemii na metylację DNA wskazują, że wysokie stężenie glukozy prowadzi do istotnych zmian regionów DNA ulegających metylacji, co może być związane z rozwojem przewlekłych powikłań cukrzycowych [17,21]. W badaniach przeprowadzonych na szczurach z cukrzycą wywołaną streptozotocyną wykazano związek między zmniejszoną replikacją genów mitochondrialnych a  hipermetylacją regionów CpG w  miejscu regulatorowym genu polimerazy gamma 1 (polymerase gamma 1, Polg1). Wyniki tego badania ponadto wykazują, że zmiany epigenetyczne wywołane przez hiperglikemie są nieodwracalne i powodują powstanie zjawiska „pamięci metabolicznej” [21]. Innym badaniem potwierdzającym związek między zmianami nasilenia metylacji całego genomu a hiperglikemią są badania przeprowadzone na otyłych szczurach z DM2 [27]. Związek między stopniem metylacji genomu oraz występowaniem póź- nych powikłań cukrzycowych wykazano również u ludzi. W jednym z klinicznych eksperymentów znaleziono róż- nice między metylacją genów związanych ze ścieżkami MAPK, Wnt oraz insuliny w próbkach mięśni pobranych od osób z pozytywnym oraz negatywnym wywiadem DM2 w  rodzinie [17]. W  innym eksperymencie przeprowadzonym na leukocytach pobranych od pacjentów z cukrzycą typu 1 znaleziono korelację między występowaniem hipermatylacji genu UNC13B oraz rozwojem nefropatii cukrzycowej [2]. Innych, ciekawych wniosków dostarczyło badanie poziomu metylacji całego genomu u pacjentów z cukrzycą typu 2 z rozwiniętą retinopatią cukrzycową. Znaleziona istotna korelacja między nasileniem metylacji całego genomu oraz klinicznym stopniem retinopatii wykazała istotny wpływ modyfikacji epigenetycznych na rozwój przewlekłych powikłań cukrzycowych [21].

Podsumowanie

Znaczny postęp w badaniach nad wywołanymi hiperglikemią zmianami epigenetycznymi materiału jądrowego komórek istotnie przyczynia się do zrozumienia molekularnych mechanizmów prowadzących do rozwoju przewlekłych powikłań u  pacjentów z  cukrzycą. Ponadto pozwala na dokładniejsze wyjaśnienie molekularnych podstaw tzw. „pamięci metabolicznej” [7,15]. Jednak pełne zrozumienie wpływu modyfikacji epigenetycznych na rozwój przewlekłych powikłań cukrzycowych wymaga jeszcze wiele badań i  zaangażowania grona naukowców zajmujących się tym zagadnieniem.

Przypisy

• 1. Barski A., Cuddapah S., Cui K., Roh T.Y., Schones D.E., Wang Z., WeiG., Chepelev I., Zhao K.: High-resolution profiling of histone methylationsin the human genome. Cell, 2007; 129: 823-837
  Google Scholar
• 2. Brasacchio D., Okabe J., Tikellis C., Balcerczyk A., George P., BakerE.K., Calkin A.C., Brownlee M., Cooper M.E., El-Osta A.: Hyperglycemiainduces a dynamic cooperativity of histone methylase anddemethylase enzymes associated with gene-activating epigeneticmarks that coexist at the lysine tail. Diabetes, 2009; 58: 1229-1236
  Google Scholar
• 3. Bush K.M., Yuen B.T., Barrilleaux B.L., Riggs J.W., O’Geen H., CottermanR.F., Knoepfler P.S.: Endogenous mammalian histone H3.3 exhibits chromatin-relatedfunctions during development. Epigenetics Chromatin, 2013; 6: 7
  Google Scholar
• 4. Butler J.S., Koutelou E., Schibler A.C., Dent S.Y.: Histone-modifyingenzymes: regulators of developmental decisions and drivers of humandisease. Epigenomics, 2012; 4: 163-177
  Google Scholar
• 5. Danaei G., Finucane M.M., Lu Y., Singh G.M., Cowan M.J., PaciorekC.J., Lin J.K., Farzadfar F., Khang Y.H., Stevens G.A., Rao M., Ali M.K.,Riley L.M., Robinson C.A., Ezzati M., Global Burden of Metabolic RiskFactors of Chronic Diseases Collaborating Group (Blood Glucose):National, regional, and global trends in fasting plasma glucose anddiabetes prevalence since 1980: systematic analysis of health examinationsurveys and epidemiological studies with 370 country-yearsand 2.7 million participants. Lancet, 2011; 378: 31-40
  Google Scholar
• 6. Dembińska-Kieć A.: Pamięć metaboliczna – epigenetyczne modyfikacjemateriału jądrowego jako przyczyna powikłań cukrzycy.Diagn. Labor., 2011; 47: 263-268
  Google Scholar
• 7. El-Osta A., Brasacchio D., Yao D., Pocai A., Jones P.L., Roeder R.G.,Cooper M.E., Brownlee M.: Transient high glucose causes persistentepigenetic changes and altered gene expression during subsequentnormoglycemia. J. Exp. Med., 2008; 205: 2409-2417
  Google Scholar
• 8. Fan S., Zhang X.: CpG island methylation pattern in differenthuman tissues and its correlation with gene expression. Biochem.Biophys. Res. Commun., 2009; 383: 421-425
  Google Scholar
• 9. Holliday R.: The inheritance of epigenetic defects. Science, 1987;238: 163-170
  Google Scholar
• 10. Jin B., Robertson K.D.: DNA methyltransferases (DNMTs), DNAdamage repair, and cancer. Adv. Exp. Med. Biol., 2013; 754: 3-29
  Google Scholar
• 11. Karnafel W.: Przewlekłe powikłania cukrzycy – patogeneza, implikacjekliniczne. Przew. Lek., 2000; 9: 61-68
  Google Scholar
• 12. Kim H.J., Kim S.H., Yun JM.: Fisetin inhibits hyperglycemia-inducedproinflammatory cytokine production by epigenetic mechanisms.Evid. Based Complement. Alternat. Med., 2012; 2012: 639469
  Google Scholar
• 13. Li B., Carey M., Workman J.L.: The role of chromatin duringtranscription. Cell, 2007; 128: 707-719
  Google Scholar
• 14. Li E.: Chromatin modification and epigenetic reprogramming inmammalian development. Nat. Rev. Genet., 2002; 3: 662-673
  Google Scholar
• 15. Ling C., Groop L.: Epigenetics: a molecular link between environmentalfactors and type 2 diabetes. Diabetes, 2009; 58: 2718-2725
  Google Scholar
• 16. Martin C., Zhang Y.: The diverse functions of histone lysinemethylation. Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2005; 6: 838-849
  Google Scholar
• 17. Nitert M.D., Dayeh T., Volkov P., Elgzyri T., Hall E., Nilsson E.,Yang B.T., Lang S., Parikh H., Wessman Y., Weishaupt H., Attema J.,Abels M., Wierup N., Almgren P. i wsp.: Impact of an exercise interventionon DNA methylation in skeletal muscle from first-degree relativesof patients with type 2 diabetes. Diabetes, 2012; 61: 3322-3332
  Google Scholar
• 18. Serrano L., Vazquez B.N., Tischfield J.: Chromatin structure,pluripotency and differentiation. Exp. Biol. Med., 2013; 238: 259-270
  Google Scholar
• 19. Shahbazian M.D., Grunstein M.: Functions of site-specific histoneacetylation and deacetylation. Annu. Rev. Biochem., 2007; 76:75-100
  Google Scholar
• 20. Taylor R.: Type 2 diabetes: etiology and reversibility. DiabetesCare, 2013; 36: 1047-1055
  Google Scholar
• 21. Tewari S., Zhong Q., Santos J.M., Kowluru R.A.: MitochondriaDNA replication and DNA methylation in the metabolic memory associatedwith continued progression of diabetic retinopathy. Invest.Ophthalmol. Vis. Sci., 2012; 53: 4881-4888
  Google Scholar
• 22. van Belle T.L., Coppieters K.T., von Herrath M.G.: Type 1 diabetes:etiology, immunology, and therapeutic strategies. Physiol.Rev., 2011; 91: 79-118
  Google Scholar
• 23. Villeneuve L.M., Reddy M.A., Natarajan R.: Epigenetics: decipheringits role in diabetes and its chronic complications. Clin. Exp.Pharmacol. Physiol., 2011; 38: 451-459
  Google Scholar
• 24. Waddington C.H.: Der Epigenotypus. Endeavour,1942; 1: 18-20
  Google Scholar
• 25. Walsh C.P., Bestor T.H.: Cytosine methylation and mammaliandevelopment. Genes Dev., 1999; 13: 26-34
  Google Scholar
• 26. Wang Z., Zang C., Rosenfeld J.A., Schones D.E., Barski A., CuddapahS., Cui K., Roh T.Y., Peng W., Zhang M.Q., Zhao K.: Combinatorialpatterns of histone acetylations and methylations in the humangenome. Nat. Genet., 2008; 40: 897-903
  Google Scholar
• 27. Williams K.T., Schalinske K.L.: Tissue-specific alterations ofmethyl group metabolism with DNA hypermethylation in the Zucker(type 2) diabetic fatty rat. Diabetes Metab. Res. Rev., 2012; 28: 123-131
  Google Scholar
• 28. Zhang L., Chen B., Tang L.: Metabolic memory: mechanismsand implications for diabetic retinopathy. Diabetes Res. Clin. Pract.,2012; 96: 286-293
  Google Scholar
• 29. Zhong Q., Kowluru R.A.: Epigenetic modification of Sod2 in thedevelopment of diabetic retinopathy and in the metabolic memory:role of histone methylation. Invest. Ophthalmol. Vis.Sci., 2013;54: 244-250
  Google Scholar

Pełna treść artykułu