1 Znaczenie zmian epigenetycznych w chorobach metabolicznychMarta Podolska Klinika Chorób Wewnętrznych, Diabetologii i Farmakologii Klinicznej

2

3 Dutch famine hunger winter

4 Znaczenie epigenetyki – „Dutch famine study”Dzieci kobiet, które doświadczały głodu w dwóch pierwszych trymestrach ciąży częściej rozwijały otyłość i choroby układu krążenia w dorosłym życiu niż dzieci kobiet narażonych na głód w późniejszym okresie ciąży lub kobiet nienarażonych na głód W póżniejszym okresie ciąży – większe ryzyko rozwoju insulinooporności i nadciśnienia w dorosłym życiu Znaczenie epigenetyki – „Dutch famine study”

5 Hertfordshire cohort studyMężczyźni urodzeni pomiędzy 1911 a 1930 o niskiej wadze urodzeniowej (LBW- low birth weight) częściej wykazywali upośledzoną tolerancję glukozy, nieprawidłowe ciśnienie skurczowe oraz rozwijali niedokrwienną chorobę serca LBW men 18-krotnie częściej rozwijali zespół metaboliczny Hertfordshire cohort study

6 Obszar genetyki Badanie cech komórkowych oraz fizjologicznych, które spowodowane są czynnikami zewnętrznymi/środowiskowymi zmieniającymi ekspresję genów Dotyczy sposobu odczytania danego genu, a nie zmiany w jego sekwencji! Epigenetyka

7 Mechanizmy epigenetyczneMogą być dziedziczone Mogą również podlegać ciągłym zmianom w wyniku działania określonych czynników środowiskowych, tj.: Sposób odżywiania Zaburzenia równowagi hormonalnej Działanie ksenobiotyków Mechanizmy epigenetyczne

8 Główne mechanizmy epigenetyczneMetylacja DNA Metylacja, acetylacja histonów Interferencja miRNA Główne mechanizmy epigenetyczne

9

10 Zależności pomiędzy modyfikacjami epigenetycznymi

11 Związek pomiędzy metylacją DNA a acetylacją histonów

12 Znaczenie epigenetykiRóżnicowanie komórek Pośrednik między środowiskiem (bodziec) a efektem fenotypowym U roślin i mikrobów zmiany epigenetyczne pośredniczą w ewolucji Znaczenie epigenetyki

13

14 Aktywne wyciszanie tych genów i tych regionów DNA, których transkrypcja nie jest pożądanaWysoki poziom metylacji w telomerach, centromerach, nieaktywnych chromosomach X Kluczowa dla rozwoju i różnicowania -> brak DNMTs prowadzi do letalności embrionalnej Zaburzenia prowadzą do powstawania nowotworów Metylacja DNA

15 Metylacja DNA a ekspresja genów

16 MicroRNA Kształtowanie trzustki Różnicowanie komórek tłuszczowychWpływ na signaling insuliny MicroRNA

17 Interferencja microRNA

18

19

20

21

22 Rola stresu oksydacyjnego i stanu zapalnego w zmianach epigenetycznych w cukrzycy

23 Przykłady zmian epigenetycznych w chorobach metabolicznych z piśmiennictwa

24 Wpływ hiperglikemii na zmiany epigenetyczneHodowla komórek monocytarnych w warunkach hiperglikemii zwiększa aktywność HATs w regionie promotorowym podjednostki p65 NfkB Indukcja Set7 (HMT) powoduje stałe zmiany ekspresji genów biorących udział w inicjowaniu procesu zapalnego w komórkach śródbłonka i monocytach Delecja tego enzymu powodowała hamowanie ekspresji NfkB i zależnych od niego cytokin prozapalnych (TNFa, Il1b) Wpływ hiperglikemii na zmiany epigenetyczne

25 Metylacja DNA w chorobach metabolicznychBadanie wzoru metylacji DNA u bliźniąt monozygotycznych ujawniło, że wzory te są podobne w dzieciństwie, zaś wraz z wiekiem zaczynają coraz bardziej różnić się między sobą (Kirchner) Steegers-Theunissen et al. – wyraźnie odmienny stopień metylacji u osób eksponowanych na obniżoną podaż kalorii w porównaniu z grupą przyjmującą zalecaną podaż kalorii Metylacja DNA w chorobach metabolicznych

26 Metylacja DNA w chorobach metabolicznychLing i wsp.- zaobserwowali, że stopień ekspresji PGC-1- alpha (kluczowa rola w regulacji biogenezy i zużycia energii w tkankach aktywnych metabolicznie) jest obniżony u pacjentów z T2DM Poziom ekspresji korelował z 2-krotnym zwiększeniem stopnia metylacji w promotorze PGC-1-alpha Dodatkowo upośledzenie funkcji wydzielania insuliny przez komórki beta trzustki Metylacja DNA w chorobach metabolicznych

27 Metylacja DNA w chorobach metabolicznychKutoda et al., - ekspresja insuliny jest zależna od modyfikacji epigenetycznych Osoby z T2D wykazują zwiększoną metylację w czterech CpG w promotorze dla insuliny w wyspach trzustkowych, co odwrotnie koreluje z poziomem mRNA insuliny Komórki beta eksponowane na wysokie stężenia glukozy wykazują zwiększoną metylację w promotorze insuliny Brak związku pomiędzy wiekiem i stopniem metylacji DNA; korelacja pomiędzy otyłością a metylacją DNA Metylacja DNA w chorobach metabolicznych

28 Metylacja DNA w chorobach metabolicznychRonn et al. – wpływ 6-miesięcznych ćwiczeń fizycznych na wzór metylacji DNA w tkance tłuszczowej zdrowych mężczyzn wcześniej prezentujących niski stopień aktywności fizycznej Interwencja znacznie zmieniła wzór metylacji, wpłynęła na ekspresję genów związanych z otyłością i T2DM – głównie tych odpowiedzialnych za metabolizm glukozy, metabolizm tłuszczów i adipogenezę Metylacja DNA w chorobach metabolicznych

29 Posttranslacyjne modyfikacje histonów w chorobach metabolicznychAbu-Farha i wsp. przeprowadzili analizę proteomu w PBMCs i podskórnej tkance tłuszczowej pobranych od osób szczupłych i otyłych przed i po 3-miesięcznych ćwiczeniach fizycznych Znaczące różnice w poziomie 47 białek w PBMCs otyłych w porównaniu do szczupłych (↓HDAC4 u otyłych) Po ćwiczeniach zmiana w poziomie 38 białek u otyłych Zmiana poziomu HDAC4 do poziomu obserwowanego u szczupłych Poziom ekspresji HDAC4 korelował z parametrami fizycznymi, klinicznymi i metabolicznymi – potencjalne właściwości protekcyjne przeciw otyłości Posttranslacyjne modyfikacje histonów w chorobach metabolicznych

30 miRNA w chorobach metabolicznychFerland-Mc-Collough i wsp. zidentyfikowali rolę miR p w związku pomiędzy żywieniem we wczesnych latach życia a rozwojem zaburzeń metabolicznych w późniejszych latach ↑miR-483-3p u młodych mężczyzn o niskiej wadze urodzeniowej GDF3 - zaangażowany w regulację wzrostu adipocytów, rozwój otyłości i przemiany energetyczne ↑miR-483-3p - ↓GDF3, PPAR-gamma „increased miR-483-3p expression in vivo, programmed by early-life nutrition, limits storage of lipids in adipose tissue, causing lipotoxicity and insulin resistance and thus increasing susceptibility to metabolic disease” miRNA w chorobach metabolicznych

31 Powikłania cukrzycy – zagadnienie pamięci metabolicznejWiele ważnych biochemicznych mechanizmów zostaje aktywowanych w obecności występującego w cukrzycy wysokiego stężenia glukozy. W wielu randomizowanych badaniach wykazano, że wczesna intensywna kontrola glikemii redukuje ryzyko powikłań cukrzycy. To zjawisko określa się jako „pamięć metaboliczna”. Sugeruje się, że wczesna normalizacja glikemii może zatrzymać powodowane hiperglikemią patologiczne procesy potęgujące stres oksydacyjny i glikację białek komórkowych i lipidów. Zjawisko „pamięci metabolicznej” sugeruje, że wczesne agresywne leczenie i dokładna kontrola glikemii mogą być wykorzystane w prewencji przewlekłych powikłań cukrzycy. Powikłania cukrzycy – zagadnienie pamięci metabolicznej Pamięć metaboliczna” — znaczenie w cukrzycy Ewa Otto-Buczkowska Forum Medycyny Rodzinnej 2014;8(2):51-55.

32 Zmiany epigenetyczne a pamięć metaboliczna

33 Zmiany epigenetyczne a pamięć metabolicznaDCCT (1993) – intensywna kontrola glikemii zmniejsza ryzyko wystąpienia i rozwoju powikłań naczyniowych w T1D UKPDS ( ) – kontrola glikemii i poprawa ciśnienia tętniczego zmniejsza ryzyko rozwoju powikłań naczyniowych w T2D Zmiany epigenetyczne a pamięć metaboliczna

34 Zmiany epigenetyczne a powikłania cukrzycoweZmiana ekspresji szeregu genów zaangażowanych w powstawanie i utrzymywanie się przewlekłego procesu zapalnego NfkB TNFa IL6 MCP1 prowadzi do uszkodzenia komórek śródbłonka Zmiany epigenetyczne a powikłania cukrzycowe

35 Rola epigenetyki w retinopatii cukrzycowejMetylacja genów Sod2 i MMP-9, zwiększenie transkrypcji LSD1 (demetylaza H3K4 i H3K9) oraz innych DNMTs, zwiększenie poziomu miRNAs dla czynników transkrypcyjnych i VEGF Potencjalne targety dla farmakoterapii inhibicja metylacji Sod2 i MMP azacytydyna, 5- aza-20-deoxycytydyna zmniejszenie poziomu miRNA inhibitory acetylotransferaz histonów – galusan epigallokatechiny, kwas suberanilohydroksamowy, Romidepsin Rola epigenetyki w retinopatii cukrzycowej

36 Rola epigenetyki w nefropatii cukrzycowejIstotne różnice w metylacji promotorów 19 genów u pacjentów z T1D i DN w porównaniu z pacjentami z T1D, ale bez DN Hipermetylacja genu UNC13B u pacjentów z DN Rola epigenetyki w nefropatii cukrzycowej

37 Rola epigenetyki w neuropatii cukrzycowejHipermetylacja Pdx1 prowadzi do zaburzenia funkcji wysp trzustkowych i rozwoju cukrzycy u szczurów Wyciszenie poprzez metylację DNA prowadzi do zmniejszenia liczby komórek beta, co powoduje rozwój insulinooporności, a także niezdolność komórek wydzielania peptydów zaangażowanych w zapobieganiu niszczenia naczyń i neuropatii spowodowanych stanem zapalnym Rola epigenetyki w neuropatii cukrzycowej

38 Rola epigenetyki w kardiomiopatii cukrzycowejPrzerost i apoptoza kardiomiocytów, zwłóknienie mięśnia sercowego miR-133 – dwoista rola ↑ - zaburzenia przewodnictwa mięśnia sercowego ↓ - przerost mięśnia sercowego Rola epigenetyki w kardiomiopatii cukrzycowej

39 Patogeneza Diagnostyka Terapia Co dalej?

40 Leczenie z wykorzystaniem wiedzy z badań nad epigenetykąmicroRNA antagoniści (inhibitory) lub oligonukleotydy naśladujące microRNA - choroby serca - nowotwory - zapalenie wątroby C ( II faza badań klinicznych) - choroby metaboliczne: miR-33 – poprawa metabolizmu tłuszczów, zmniejszenie ryzyka rozwoju miażdzycy miR-103/107 – poprawa metabolizmu glukozy i zwiększenie insulinowrażliwości Leczenie z wykorzystaniem wiedzy z badań nad epigenetyką

41 Zmiany epigenetyczne mogą być zaangażowane w patogenezę wielu chorób metabolicznych oraz w rozwój ich powikłań Zmiany epigenetyczne wpływają na ekspresję genów zaangażowanych w metabolizm, magazynowanie tłuszczu, remodeling komórkowy, odpowiedź immunologiczną oraz adipogenezę W przyszłości możliwe zidentyfikowanie epigenetycznych targetów dla prewencji i leczenia chorób metabolicznych Podsumowanie