Сахарный диабет 2 типа: роль эпигенетических модификаций в патофизиологии и перспективы использования эпигенетической терапии

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 616-002.2;616.03.035                            

Сахарный диабет 2 типа (СД2) является нарушением обмена веществ, которое часто связано с повышенным уровнем глюкозы в крови вследствие недостаточной продукции инсулина бета-клетками поджелудочной железы. Заболевание может быть вызвано также избыточной продукцией глюкагона альфа-клетками поджелудочной железы и резистентностью к инсулину в некоторых тканях, включая скелетные мышцы, жировую ткань, и печень [1–2]. Симптомы СД2 включают патологические жажду и голод, учащенное мочеиспускание, потерю веса, слабость, плохое зрение, хронические язвы, частые инфекции и темные пятна на коже [3–4]. Поздние осложнения СД2 развиваются медленно и, с течением времени, могут нанести серьезный ущерб здоровью [3]. Эти осложнения включают сердечно-сосудистые   заболевания, диабетическую полинейропатию, почечную недостаточность, дефекты зрения, язвы, потерю слуха, проблемы с кожей и болезнь Альцгеймера [3, 5]. СД2 передается по наследству и с заболеванием, в частности, связаны мутации в не менее чем в 100 генах или вариантах генов [6–7].

Рост распространенности СД происходит во всем мире. По данным Международной Диабетической Федерации численность пациентов с СД в возрасте 20–79 лет на 1 января 2018 г. превысила 425 млн [8].

В Российской Федерации по данным регистра больных СД на 1 января 2019 г. состояло на диспансерном учете 4,58 млн человек (3,1% населения), из них 92% (4,2 млн.) — СД2 [9]. В США распространенность диагностированных случаев СД увеличилась с 0,93% в 1958 г. — до 7,40% в 2015 г. [10].

Из зарегистрированных случаев СД у взрослых СД2 составляет от 90% до 95% [10]. В Кыргызстане за последние 10 лет заболеваемость СД увеличилась в 2 раза, а за последние 15 лет — в 2,5 раза [11].

Факторами риска заболевания являются употребление западных диет, избыточная масса тела, низкая физическая активность, воздействие загрязнителей и микробов, а также наследственность [12–14]. Однако «причинные» гены не объясняют полностью весь механизм наследования СД2, что свидетельствует о существовании еще и других, помимо генов, факторов наследственности [15–16]. Поиск этих дополнительных генетических факторов привел к открытию, что модификации химических меток в ДНК, часто известные как эпигенетические изменения, могут модулировать СД2 [1].

Эпигенетические изменения — это наследственные модификации экспрессии и функции генов, не влияющие на нуклеотидную последовательность [17–18]. На протяжении всей жизни индивидуума эпигенетические изменения постоянно влияют на структуру хроматина и доступность ДНК, активируя и деактивируя различные части генома в определенные промежутки времени [19–21]. Таким образом, эпигеном управляет процессом формирования фенотипа человека, включая и патогенез той или иной болезни [6].

Эпигенетика при СД2

В ряде исследований показано, что эпигенетические изменения могут быть вовлечены в патогенез СД2. Метилирование ДНК, модификации гистонов и РНК-интерференция (микроРНК) являются основными механизмами, с помощью которых эпигенетические изменения модифицируют фенотипы, включая проявления болезни. До эпигенетической модификации триггеры окружающей среды взаимодействуют с генами через определенные химические вещества в ДНК.

Метилирование ДНК в патогенезе СД2

Метилирование ДНК является одним из эпигенетических механизмов, в котором метильная группа присоединяется к ДНК, вызывая изменения в экспрессии и функции генов. В частности, одним из процессов метилирования ДНК является ковалентное присоединение метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца, в результате чего образуется 5-метилцитозин (5-mC) [22–23]. Метильные группы нарушают ДНК-белковые взаимодействия, выступая в большую бороздку ДНК и препятствуя связыванию специфических транскрипционных факторов [24]. Метилирование в промоторной зоне гена, как правило, приводит к подавлению соответствующего гена. 5-метилцитозин присутствует примерно в 1,5% геномной ДНК человека [24]. В соматических клетках взрослого организма метилирование ДНК обычно происходит в CpG-динуклеотидах; метилирование ДНК вне CpG-динуклеотидов встречается в эмбриональных стволовых клетках [24]. В зародышевых клетках и вокруг промоторов нормальных соматических клеток,

CpG сайты не метилированы, что не препятствует осуществлению экспрессии генов [25].

Класс ферментов, известный как ДНК-метилтрансферазы (DNMT), опосредует спаривание метильных групп с ДНК [26]. Три DNMT, а именно DNMT1, DNMT3a и DNMT3b, необходимы для инициации и поддержания процессов метилирования ДНК [2]. Еще два не менее важных фермента, DNMT2 и DNMT3L, выполняют более специализированные задачи [25]. DNMT1 поддерживает уже метилированную ДНК, тогда как DNMT3a и 3b модулируют создание новых или de novo процессов метилирования ДНК [25]. Однако в пораженных клетках три фермента: DNMT1, DNMT3a и 3b взаимодействуют и вызывают чрезмерное метилирование ДНК [25].

Не менее важную роль, чем метилирование ДНК, в эпигенетической модификации организмов играет процесс деметилирования ДНК. В результате этого процесса происходит удаление метильной группы из ДНК, что необходимо для перепрограммирования метилированной ДНК и восстановления нарушенной экспрессии генов. Деметилирование может быть пассивным, когда не происходит полного метилирования новосинтезированной цепочки ДНК по образцу старой и поэтому в дочерней цепи метильные группы теряются [27]. Этот процесс может происходить также активно, когда 5-метилцитозин удаляется с ДНК при помощи белков семейства TET (Ten-Eleven-Translocation), которые окисляют 5-метилцитозин в 5-гидроксиметилцитозин [27].

За последние несколько десятилетий в ряде исследований было показано, что репрограммирование эпигенома ДНК участвует в развитии и патогенезе многих хронических заболеваний, включая СД2. Так, в одной работе исследование бета-клеток поджелудочной железы диабетиков и недиабетиков показало эпигенетические изменения почти в 850 генах, более 100 из которых имели нарушенную экспрессию [17]. В другом исследовании 17 генов, предрасполагающих к развитию СД2, включая TCF7L2, THADA, KCNQ1, FTO и IRSI, показали различную степень метилирования в островках поджелудочной железы у лиц с СД2 [1]. Ген EXOC3L2, который важен для транспорта инсулина, также был чрезмерно метилирован и подавлен в островковых клетках поджелудочной железы у индивидуумов с диабетом [1]. В то же время гены CDKN1A и PDE7B, напротив, демонстрировали снижение метилирования ДНК и повышенную экспрессию параллельно с нарушением секреции инсулина в ответ на стимулирование глюкозой [1].

Исследования показали, что небольшие изменения в экспрессии генов со временем могут оказывать огромное влияние на СД [28]. Эпигеном зависит от типа клетки или ткани, а также от процессов эпигенетической модификации, ведущих к патогенезу заболевания. В островковых клетках поджелудочной железы ген PPARGC1A обеспечивает контроль за синтезом коактиватора транскрипции, который, в свою очередь, регулирует митохондриальный окислительный метаболизм [29]. Экспрессия этого гена усиливает глюкозо-стимулированное высвобождение инсулина из островковых клеток поджелудочной железы человека [30]. Тем не менее, в островковых клетках поджелудочной железы диабетиков, промотор гена PPARGC1A был чрезмерно метилирован, а экспрессия подавлена по сравнению с недиабетиками [31]. Другой ген под названием UNC13B (активируется гипергликемией, а кодируемый белок вызывает апоптоз в клетках), расположенный на хромосоме 9 и экспрессируемый в эпителиальных клетках коркового вещества почек, также был чрезмерно метилирован у пациентов с диабетом [32].

Поскольку ожирение предрасполагает к СД2, то наличие метилирования ДНК в жировой ткани могло бы служить доказательством жизненно важной роли данной эпигенетической модификации в патогенезе болезни [33]. Действительно, исследования доказали участие метилирования ДНК жировой ткани в развитии СД2. Например, метилирование ДНК в промоторе гена ADRB3 (нарушение его функции характерно для развития сахарного диабета, ожирения, артериальной гипертензии и т.д.) в висцеральной жировой ткани вызывает аномальное соотношение окружностей талии и бедер, а также повышение артериального давления у мужчин с ожирением [34]. Кроме того, ген PPARGC1A (участвует в дифференцировке клеток, метаболизме жиров и углеводов) в подкожной жировой ткани показал изменение метилирования ДНК после диеты с высоким содержанием жиров [35]. Это исследование еще раз подтверждает участие PPARGC1A в эпигенетической модуляции метаболических процессов в нескольких тканях, включая жировую и мышечную [36], а также островки поджелудочной железы [30]. В исследовании висцеральной жировой ткани у лиц, страдающих ожирением, выявлено 3258 метилированных генов, что указывает на роль эпигенетических изменений в патогенезе ожирения [37]. Подробный анализ метилирования ДНК жировой ткани по всему геному также обнаружил доказательства чрезмерного метилирования. тканеспецифичных молекул, регулирующих экспрессию генов и подверженность к метаболическим нарушениям [38]. Метилирование ДНК жировой ткани было особенно выраженным в молекуле энхансера гена ADCY3 (кодирует фермент аденилатциклазу 3) [39].

Модификация гистонов в патогенезе СД2

Гистоны — это белковые строительные блоки хроматина, который состоит из ДНК и белка, образуя основу спиральной структуры ДНК. Модификации гистонов могут программировать структурную организацию хроматина [40]. Полученная структура определяет транскрипционный статус ассоциированной ДНК [40]. Неконденсированный хроматин активен и приводит к транскрипции ДНК, тогда как конденсированный хроматин (гетерохроматин) неактивен и неспособен к транскрипции [40].

Несколько механизмов, а именно ацетилирование, метилирование, фосфорилирование и убиквитилирование могут модифицировать гистоны; однако, ацетилирование и метилирование — наиболее часто встречающиеся механизмы [41]. Ацетилирование добавляет ацетильную группу к аминокислотному остатку лизина в гистоне, тогда как метилирование включает добавление метильной группы [42]. Ацетилирование обычно происходит в неконденсированном хроматине, в то время как деацетилирование — в конденсированном хроматине [40]. Метилирование гистонов может происходить в обоих состояниях хроматина [40]. Например, метилирование определенного лизина (K9) на конкретном гистоне (H3) представляет собой неактивный хроматин, в то время как метилирование другого лизина (K4) на том же гистоне (H3) — активный хроматин [40]. В модификации гистонов задействованы несколько ферментов, в частности, гистоновые деацетилтрансферазы (HDAC), которые деацетилируют аминоконцевые остатки лизина на концах гистонов, позволяя, таким образом, более прочно связываться им с ДНК [41]. Гены в таких, более тесно связанных регионах, подавляются, поскольку становятся недоступными для факторов транскрипции в их промоторах [41].

Исследования сообщают о модификациях гистонов у пациентов с диабетом. Например, гистоновые ацетилтрансферазы (HAT) и HDAC оказались связанными с измененной экспрессией некоторых генов у диабетиков [43]. Один пример — это семейство SIRT HDAC; в частности, SIRT1 регулирует несколько факторов, участвующих в метаболизме, адипогенезе и синтезе инсулина [43]. В эксперименте обработка моноцитов in vitro высоким содержанием глюкозы увеличивала продукцию HATs, что вызывало избыточное ацетилирование гистонового лизина на промоторах генов циклооксигеназы 2 (COX-2) и TNF-α, вызывая их сверхэкспрессию [43]. Подобное избыточное ацетилирование гистонового лизина на промоторах этих генов было выявлено у пациентов с СД2 по сравнению с контролем [43].

МикроРНК в патогенезе СД2

Микро РНК представляют собой одноцепочечные транскрибируемые РНК от 19 до 25 нуклеотидных цепей [44]. Это класс маленьких, некодирующих молекул РНК, которые модулируют экспрессию генов на уровне трансляции путем нарушения 3’-нетранслируемой области информационных РНК [44]. МикроРНК взаимодействуют с транскрипционными и эпигенетическими модуляторами для поддержания клоноспецифичной экспрессии гена [45]. В частности, микроРНК регулируют экспрессию генов на посттранскрипционном уровне, предотвращая трансляцию целевой матричной РНК [46]. Однако у больных людей экспрессия микроРНК часто изменяется, что приводит к измененной экспрессии, в основном сверхэкспрессии, генов-мишеней [46]. МикроРНК важны для поддержания нескольких биологических процессов, включая такие как контроль клеточного цикла, дифференцировка клеток и апоптоз [44]. Исследования подтвердили функциональное нарушение микроРНК при нескольких патологиях, включая рак, респираторные заболевания, пороки сердца и СД [44].

В эксперименте, проведенном Kameswaran и соавторами [47], изучалось участие микроРНК в патогенезе СД2. Иследователи секвенировали микроРНК островковых клеток поджелудочной железы, полученных от лиц с СД2 и недиабетиков, и обнаружили массу измененных микроРНК на хромосоме 14q32 [47]. Локус был сильно и специфически экспрессирован в бета-клетках людей, не страдающих диабетом, но оказался подавленным в островковых клетках лиц с СД2 [47]. Подавление этого локуса сильно коррелировало с гиперметилированием его промотора [48]. В другом исследовании Martinez с соавторами [49] показали, что микроРНК-375 входит в число микроРНК, встроенных в островки поджелудочной железы, и его измененная экспрессия может привести к развитию СД2. Чрезмерная экспрессия этой микроРНК снижала индуцированное глюкозой высвобождение инсулина, тогда как ее подавление, напротив, способствовало секреции инсулина [49]. Исследования показали аналогичную взаимосвязь между гиперметилированием, микроРНК192 и микроРНК-9, с одной стороны, и секрецией инсулина — с другой, что подтверждает роль микроРНК в возникновении СД [49].

Триггеры эпигенетических изменений при СД2

Показано, что некоторые факторы окружающей среды могут вызывать эпигенетические изменения, способствуя началу развития СД2. Эти «триггеры» инициируют эпигенетические изменения в клетке путем добавления или удаления эпигенетических маркеров из ДНК, гистонов и микроРНК. Эти маркеры представляют собой химические вещества или молекулы, такие как метильные и ацетильные группы, способные изменять экспрессию гена. Триггерами или иницирующими факторами эпигенетических изменений при СД2, в большинстве случаев, являются старение [50–52], низкая физическая активность [53–55], высококалорийная пища [56–57], курение [58–59], алкогольная зависимость [60–61] и воздействие токсичных загрязнителей [62–64].

Эпигенетические методы лечения СД2

Эпигенетические изменения, как уже отмечалось выше, являются обратимым процессом, поэтому их механизм может быть использован для прогнозирования, предотвращения, устранения или снижения многих заболеваний, в том числе и СД2. Фактически, многие препараты, обозначенные как эпигенетические лекарства (или эпилекарства), уже находятся в использовании или проходят клинические испытания для лечения СД2. Эпи-лекарства работают, ингибируя или активируя ферменты, которые опосредуют эпигенетические изменения.

Препараты, ингибирующие метилирование ДНК

Многие заболевания, вызванные чрезмерным метилированием определенных генов, могут быть устранены путем блокирования или ингибирования ферментов метилирования. Несколько ингибиторов метилирования ДНК, в основном нуклеозидоподобные соединения, были разработаны для лечения некоторых заболеваний [65]. Один из них, известный как 5-азацитидин, оказывает цитотоксическое действие на раковые клетки [65]. Метформин, один из наиболее распространенных лекарств от СД2, снижает метилирование ДНК генов-переносчиков метформина в печени человека [66]. Гиперметилирование генов-переносчиков метформина, как установлено, вызывает высокий уровень сахара в крови и ожирение [66], которые являются отличительными признаками СД2. Другой препарат с терапевтическим действием при СД2, названный прокаинамидом, стимулировал секрецию инсулина в эксперименте за счет деметилирования ДНК определенных генов в бета-клетках и, если принимать его с пероральным гипогликемическим средством, таким как метформин, эффекты последнего будут усиливаться [67].

Ингибиторы гистонацетилтрансферазы (HATI)

Многие HATI обладают терапевтическим действием при СД2 [68]. Например, гарцинол, получаемый из плодов кокума (garcinia indica), уменьшает воспаление клеток Мюллера сетчатки при высокой концентрации глюкозы, что указывает на то, что он может предотвратить диабетическую ретинопатию [69].

Анакардовая кислота — еще одно эпи-лекарство, получаемое из индийских орехов кешью, которое усиливает ассимиляцию глюкозы мышечными клетками линии C2C12 за счет эпигенетических изменений [70]. В моделях на животных куркумин из куркумы показал гипогликемический и гиполипидемический эффекты [71]. Куркумин может также повышать концентрацию инсулина в сыворотке после приема пищи, поддерживать нормальный уровень глюкозы в крови у здоровых людей [72].

Ингибиторы гистон-деацетилазы (HDAI)

Гистоновые деацетилазы (HDAC) представляют собой ферменты, которые отщепляют ацетильную группу с остатков лизина на гистонах, нарушая эпигеном и вызывая заболевания [73], в том числе СД2. Однако, некоторые вещества, называемые ингибиторами гистондеацетилазы (HDACI), могут ингибировать эти ферменты, предотвращая или устраняя деацетилирование и связанные с ним заболевания [73]. HDACI — это небольшие эпигенетически активные молекулы [74], первым из которых был н-бутират, способствующий гиперацетилированию гистонов в клетках [75]. Такие эпи-препараты как трихостатин A (TSA) и трапоксин A (TPX) также являются HDACI и способны ингибировать активность HDAC [76–77]. Другие HDACI (например, TSA и депсипептид FK228) являются натуральными продуктами, созданными из определенных микробов [73] Некоторые другие эпи-препараты (например, субероиланилид гидроксамовая кислота) получены путем синтеза с использованием структурной информации определенных природных HDACI [73]. Кроме того, ряд пищевых продуктов (овощи, фрукты, цельнозерновые) также обладают ингибирующими свойствами HDAC, сравнимыми с фармакологическими HDACI, и к тому же не вызывают побочных эффектов [73].

При лечении сахарного диабета некоторые HDACI улучшают диабетические состояния, устраняя вызванное цитокинами повреждение бета-клеток поджелудочной железы [78–80]. Другие HDACI способствуют секреции инсулина, повышая продуктивность и массу бета-клеток [81–83]. Тем не менее, в качестве меры предосторожности следует избегать использования высоких доз HDACI, поскольку они являются цитотоксичными [80].

Ингибиторы микроРНК

Поддержание нормального функционирования организма в определенной степени регулируется микроРНК, экспрессия которых часто бывает нарушенной у больных людей. Исследователями показано, что путем восстановления нарушенной экспресии микроРНК до нормального состояния, можно предотвратить или устранить связанные с ней заболевания. Восстановление нарушенного состава микроРНК может быть достигнуто либо путем нормализации экспрессии репрессированных микроРНК с помощью имитаторов микроРНК, либо путем подавления активности сверхэкспрессированных микроРНК с помощью их ингибиторов [84].

Ингибиторы микроРНК — это антисмысловые олигонуклеотиды [84], разработанные на основе молекулярных свойств целевой микроРНК, чтобы связываться с ней и активировать целевой ген. К их числу относятся LNA (locked nucleic acid)-анти-микроРНК, антагомиры и морфолиновые олигомеры [85–86]. LNA анти-микроРНК исключительно эффективны, менее токсичны и обладают большим терапевтическим потенциалом [87]. LNA анти-микроРНК-122 снижает уровень холестерина в плазме без каких-либо побочных эффектов у экспериментальных животных [88]. Антисмысловой олигонуклеотид 2’-О-метил-микроРНК-375 нормализует секрецию инсулина in vitro путем повышения экспрессии 3’-фосфоинозитид-зависимой протеинкиназы-1 (ПДК-1) [77]. Некоторые гипогликемические эпи-препараты, такие как Byetta, Victoza, Trulicity, Januvia, Onglyza и Tradjenta модифицируют сверхэкспрессию микроРНК-204 в бета-клетках диабетиков, активируя глюкагоноподобный пептид 1, или GLP1R, помогающий бета-клеткам синтезировать больше инсулина [89].

Заключение

СД2 — многофакторное заболевание, поэтому его развитие у индивидуума обусловлено многими причинами. Тем не менее, имеются доказательства того, что эпигенетические изменения в наследственных структурах клетки, происходящие в течение всей жизни человека, могут играть решающую роль в патогенезе СД2. Триггерами этих эпигенетических изменений могут быть такие факторы как старение, диетические предпочтения, избыточная масса тела, низкая физическая активность, воздействие загрязнителей и микробов, а также образ жизни. К счастью, эпигенетические изменения являются обратимым процессом, что дает возможность медицинским работникам использовать их механизм как для лечения, так и для прогнозирования и предупреждения СД2.