Прескочи към главното съдържание на страницата

Архив


БРОЙ 5 2019

Захарен диабет и съдови усложнения в светлината на епигенетиката, метаболитна памет, микробиом

виж като PDF
Текст A
д-р Николина Радулова
17 ДКЦ, гр. София


Епигенетика от гръцката дума „епи“ (над, извън) е изследване на промените. В генната експресия или клетъчния фенотип, причинени от механизми, които не засягат ДНК последователността. Регулацията и експресията на гени е резултат от процеси на ДНК метилиране и модификация на хистони. Първичната структура на ДНК се запазва.

В рамките на епигенетиката се изследват такива процеси като парамутация, генетично маркиране, геномно отпечатване (импринтинг), Х-хромозома инакти­ви­ране, репрограмиране и други механизми, регулиращи генната експресия. През 2011 г. е установено, че и метилирането на М-РНК също играе роля в предразположението към диабет, което е довело до нов клон – РНК епигенетика. Разбирането на епигенома на пациентите с диабет може да помогне да се изяснят иначе скритите причини за това заболяване. ДНК метилирането е процес, чрез който метилови групи се прибавят посредством ензими метилтрансферази към ДНК молекулата. Две от четирите нуклеотидни бази на ДНК могат да бъдат метилирани – те са цитозин (при животни) и аденин (при бактерии). Присъединяването на метилова група към цитозина се извършва в състава CPG динуклео­тида в позиция с 5 на цитозиновия пръстен. По този начин се променя активността на ДНК сегмента, без да се променя последователността. Когато метилирането е в ген промотор, се потиска транскрипцията на гена, но метилирането води и до активиране на някои гени. Транскрип­ционното заглушаване може да бъде наследено от дъщерните клетки след клетъчно деление. Епигенетични изменения се предизвикват от външни фактори, като стрес, хранене, хормони. Промяната в метилирането е в основата на редица тежки заболявания.

В условията на хиперлипидемия може епигенетично да се промени CD34+ към възпалителните клетки, като по този начин ги променя в диференциация към клетъчни линии с вредно въздействие.

Хипергликемията, посредством дълбоко влияние върху множество сигнали и пътища, се явява като ключов фактор в транскрипцията. Счита се, че дефектите във функцията на панкреатичните клетки и инсулиновата резистентност на тъканите са резултат от намалена продукция на АТФ и намалено окислително фосфорилиране. При пациенти със захарен диабет е установено приблизително двукратно увеличение на ДНК метилирането на промотора на PPARGC1A, което води до потискане експресията на гените. PPARGC1A генът регулира гените, участващи в енергийния метаболизъм. Тестовете с човешки островни клетки на диабетици в сравнение с недиабетици показват, че колкото повече този ген е експресирал, толкова повече инсулин се секретира от островчетата. При пациенти с диабет има по-малко експресирал PPARGC1A и по-малко секреция на инсулин. Предполага се, че ДНК метилирането е механизъм, чрез който PPARGC1A е отхвърлен.

Много интересно изследване показва ролята на физическата активност и влиянието  върху регулацията на гена PPARGC1A. При лица, поставени в условията на продължителна почивка на легло за 10 дни, е установено значително увеличение на ДНК метилирането на гена и намаляване експресията на иRNK. Като друг рис­ков фактор се сочи ниското тегло при раждане (LBW) в проучване, което показва, че в мускулната клетка на такива пациенти има повишено ДНК метилиране.

Епигенетичното заглушаване чрез ДНК метилиране на генния PDX1 промотор, който произвежда ключов транскрипционен фактор, регулиращ бета-клетъчната диференциация и инсулиновата генна експресия, може да предизвика симптоми, характерни за захарен диабет тип 1 и захарен диабет тип 2. При хора този протеин е кодиран от гена PDX1, който преди е бил известен като IPF1. В зрелия панкреас експресията на PDX1 изглежда е необходима за оцеляването на бета клетките и е важен за медииране на ефекта на инсулина върху апоптотичната програмирана клетъчна смърт на бета-клетката. Малка концентрация на инсулин защитава бета клетката от апоптоза, но не и в клетки, в които експресията на PDX1 е инхибирана. Еспериментите показват, че намаляване нивото на експресията му води до производство на повече глюкагон, което предполага, че има отношение в инхибирането на превръщане на бета-клетката в алфа-клетка.

Епигенетиката може да играе роля в широк спектър от съдови усложнения при диабет. Eпигенетичните вариации, свързани с диабета, могат да променят структурата на хроматина, както и генната експресия, независимо от промяната на гликемичния контрол. Тези епигенетични механизми остават трайни и не се променят с промяна на диетата. Най-честите усложнения при захарен диабет са от страна на съдовете. При култивирането на ендотелни клетки с висока глюкоза се наблюдава трайно повишаване на експресията на нови извънклетъчни и профибротични гени и постоянно повишаване на окислителния стрес след последваща нормализация на глюкозата. Тези проучвания показват, че вредните ефекти на предшестващата хипергликемична експозиция имат дълготрайни последствия върху целевите органи. Като основна причина в устойчивостта на тези симптомни точки се разглежда епигенезисът.

Хипергликемията води до регулация и на ген, известен като UNC13B. В Националния център за биотехнологична информация в САЩ е установено увеличаване на метилирането на важни CPG места в гена. UNC13B произвежда протеин с диацилглицерол (DAG) свързващ домейн.

Хипергликемията повишава нивата на DAG в кръвта, което причинява апоптоза в клетки, регулиращи този ген и бъб­речни усложнения, когато DAG се свързва с продукта на UNC13B гена. Диабетната ретиноптия се свърва с ред епигенетични изменения, в това число и метилирането на гените SOD2 и ММЗ-9 и излишна транс­крипция на гена LSD1. Смята се, че инхибирането на този ген може да даде възможност и за лечение на рак. Използвани са vorinostol и romidepson. UNC13B генът играе важна роля в епигенетичното препрограмиране, когато се формира зиготата от сливането на гаметите. Диабетът води до трайно увреждане на съдовата система. Хипергликемията води до продуциране на провъзпалителни медиатори, като цитокини и растежни фактори. Активират се множество пътища на сигнална трансдукция, включващи оксидативен стрес, тирозин кинази, което води до активиране на транскрипционни фактори, такива като NF-KB и дисрегулация на епигенетични механизми, ацилиране на хистонов лизин и ДНК метилиране чрез действието на съответните метилтрансферази, ацетилази и деацетилази. Ацетилирането на хистонов лизин в промоторите на моноцити при пациенти с диабет увеличава генната експресия на определени гени и като резултат се увеличава възпалителният отговор. Това води до по-голяма достъпност на патологични продукти на генна експресия и активиране на патологични гени. Съдовата стена не може да реагира правилно, когато е под епигенетични влияния в условията на възпалителен стрес и това води до съдово увреждане, съсиреци пациентите страдат от оток, аневризми, травми. Диабетният стрес води до дългосрочна метаболитна памет и променен епигеном, с нежелани ефекти върху сърдечно-съдовата система.

Възможно лечение на васкуларни усложнения при диабет съществува при SIRT1 гена. Неговата свръхекспресия посредством ресвератрол може да подобри инсулиновата ре­зис­тентност. Доказано е, че SIRT1 ензимът модулира енергийния метаболизъм и възпалението.

Метаболитната памет е феномен на диабетните съдови въздействия, които продължават и след нормализиране на глюкозата при пациенти с диабет.

Известна е също и като "хипергликемична памет" или "наследствен ефект", и се отнася до продължителните ефекти при дълъг период от лошо контролирани нива на кръвната захар.

През 2014 г. в съобщение на Американската диабетна асоциация на резултати от проучване, наречено EDIC (епидемиология на интервенциите и усложненията при диабет), се показа, че поддържането на добър контрол на нивата на кръвната захар в продължение на няколко години може да доведе до намаляване на сърдечно-съдовите заболявания на диабетици. Всъщност, според изследването за всеки 1% намаление на нивата на A1C, може да се очаква съответно 20% намаление на сърдечно-съдовия риск.

Хипергликемията изглежда запомняна в органи като бъбреци, очи и сърце. Доказателство за това са промените по отношение прогресията на нефропатия, ретинопатия и периферна невропатия при пациенти, лекувани интензивно и такива с недобър контрол. Метаболитната памет може да бъде регулирана от епигенетиката. Оксидативният стрес може също да играе важна роля в запазването на метаболитната памет чрез модифициране или увреждане на основни липиди, протеини и/или ДНК. Последни проучвания показват, че при пациенти с диабет има повишаване на хистонметилтрансферази и намаляване на H3K9ME3, водещи до подтискане на хроматина. При изява на захарен диабет проучвания показват и ролята на хомоцистеина, който е междинен продукт, отговорен за поддържането на реакции на метилиране в критични метаболитни процеси. Той може повторно да бъде метилиран до образуване на метионин, да бъде включен в БИF синтетичния път на цистеин или да бъде освободен в извънклетъчна среда. Метионинът влияе директно на S-аденозилметионина (SAM). SAM е вещество, което осигурява метиловите групи за ДНК метилирането.

В последните дни излезе съобщение на учени от Института по генетика в Мичиган за възможностите, които дават методите, използвани за експериментално анотиране на некодиращи варианти в молекулата на ДНК, за номиниране на каузални варианти и за свързването им с патофизиологията на диабета. Чрез възможностите за профилиране на хроматин, масовото паралелно секвентиране, високопроизводителните анализи и CRISPR технологиите за редактиране на гени, се отчита значението в контекста както генетично (като съпътстваща ДНК последователност), така и в околната среда (като клетъчно състояние или експозиция на околната среда). Инсулиновата резистентност също включва епигенетичен контрол чрез промоторно метилиране на митохондриалния транскрипционен фактор аTFAM ген, който е от съществено значение за поддържането на митохондриалната ДНК и се свързва с IR (инсулинова резистентност) при юноши, сочи проучване от 2011 г.

Поради евентуална обратимост на епигенетичните модификации, това изследване показва потенциала на начина на живот или терапевтични интервенции при инсулинова ре­зистентност.

Изследвания показват връзката между определени видове бактерии и мазнините в тялото и като резултат – повишена възпалителна реакция, която от своя страна допринася за метаболитна дисфункция, свързана с диабет тип ІІ.

Промените в хранителния режим водят до различно метилиране на гените. Чрез промяна в храненето се осъществяват на молекулно ниво процеси, които водят до прибавяне на метилови групи към молекулата на ДНК, без това да променя заложения вътре код, а се променя генната експресия, като по този начин се проявява или не даден белег. По време на делението на клетките новите метилови групи се прикрепят към новосинтезираната ДНК. Източник на тези групи е храната. Молекули, донори на метилови групи в нашите клетки, са метионин, бетаин и холин.

Храните, богати на фолиева киселина (като листни зеленчуци, цитрусови плодове и ягоди) доставят на организма метилови групи, които се транспортират чрез транспортни молекули като вит. В12 и цинк. Рибата, месото, млякото и яйцата съдържат вит. В12.

Съставът на всяка храна има пряк ефект и върху производството на химични сигнали в мозъка чрез производството на невротрансмитерите.

Те влияят на настроението, съня, паметта, концентрацията, дишането.

Така например изчерпването на норепинефрин води до хронична умора, нарушение в паметта, депресия. Известна е ролята на останалите нивротрансмитери (като серотонина, допамина, епинефрин), както и аминокиселините GABA и глицин, глутамат, аспартат, а така също невропептиди и пурини (като аденозин и АТФ).

Най-новите резултати излезли преди месец от кохортно проучване на датски изследователски център за съдържанието на ентеролактон в плазмата при пациенти със захарен диабет тип 2 установява, че високите концентрации са свързани с по-ниска смъртност и по-добра прогноза. Ентеролактонът е фитоестрогенен метаболит, продуциран от микробиозата на червата след поглъщането на храни, богати на лигнани. Такива са пълнозърнести ръжени срещу рафинирана пшеница (която е с ниско съдържание на лигнан), ленено семе (богато на омега масни киселини). Също така добри източници на лигнани са богатите на фибри плодове, зеленчуци, бобови зеленчуци и ядки, семена, в по-малки количества кафе, чай, вино и бира, консумацията на които води до подобрение на гликемичния контрол и липидите в кръвта на хората с диабет. Обръща се внимание и на полезните качества на ферментиралите храни. Метаболизмът на лигнани в ентеролигнани се влияе от няколко фактора, включително пушене, затлъстяване, използване на антибиотици, микробиоза на червата.

Понастящем понятието "микрофлора на червата" е остаряло и в резултат на изследвания и работата от страна на голям брой учени през 2001 г. от Института по хранене на САЩ е въведено понятието "микробиом", като съвременно разширено понятие на микрофлора и съвкупност не само от микроби, но и микробни гени. Микробиом – това е своеобразна екосистема, подложена на изменения под въздействието на много фактори, сред които са диета (като начин на хранене) и заболявания на червата.

В тялото на човека живеят стотици трилиони бактерии. По изследвания на учените макробиомът на възрастен човек е от половин до 3 кг. Той се разглежда като отделен орган, съдържащ 10 пъти повече клетки от клетките на тялото и тридесет пъти повече гени от тези на човека.

Тяхната генетична памет влияе на човешката генетична памет.

Според съобщение от 2012 г. на Националния институт по здравеопазване в САЩ по проекта за човешкия микробиом, то микробиомът на даден човек се различава драстично от този на друг индивид и също може бързо да се промени с течение на времето. Разглежда се и като своеобразен баркод. Първите микроби попадат в новородения организъм още в родовите пътища и по-нататък бактериалното общество не ни напуска до края на живота. Променя се само неговият състав.

Съвместното съжителство с тези бактерии оказва огромно влияние на състоянието на нашето здраве. Все по-голям брой изследвания сочат значението за имунната система. Непоносимостта към храни трябва да се различава от алергиите. При алергии има повишаване на нивата на IGG, които са свързани с дългосрочната защита на организма. При хранителна непоносимост има повишаване на имуноглобулини еIGE – това са антитела, които се образуват като незабавен отговор на чужд протеин, който имунната система разпознава като опасен за тялото и реагира с нежелана реакция, като обрив, сълзене на очите, подуване и др. При алергиите IGG антителата имат по-дълга продължителност на действие и се свързват с възникването и поддържането на хронични възпаления и инфекции, изразяващи се понякога с персистиращи симптоми на главоболие, подуване на корема, проблемна кожа, тревожност и депресия. Могат дори да отключат по-сериозни проблеми като тиреоидит на Хашимото, диабет тип 1, ревматоиден артрит. Симптомите изчезват при елиминиране на съответните храни. Учените наричат чревния микробиом втори мозък, защото той всъщност определя как се чувстваме, какво ядем, как мислим. Начинът на хранене може да се отрази на работата на мозъка ни в дългосрочен план.

Ако приемаме много захари и мазнини, това може да остави трайни последствия върху мозъчната дейност. Червата са богати на много на брой нервни окончания. Червата и мозъкът ни са свързани много повече от всеки друг орган.

Учени от университета в Лос Анжелис установили, че около 80% от хората, които са намалили теглото си с диета в рамките на две години, го възвръщат отново и дори го покачват. Подобни резултати се наблюдавани и при пациенти с диабет тип 2 (ЗДТ2) на перорална терапия, които поради изтощаване на панкреаса преминават на инсулино лечение. Два от отличителните белези на захарен диабет тип 2 са инсулинова резистентност в периферните тъкани (черен дроб, скелетни мускули и мастна тъкан) и дисфункция на инсулин секретиращата бета клетка.

До скоро не се обръщаше достатъчно внимание на връзката между червата, здравето и наднорменото тегло. Счита се, че нашият метаболизъм е отражение (резултат) от храненето на нашите предци.

Интересна е ролята и на архебактериите. Микробиомът в червата произвежда витамини, хормони и ензими, които влияят върху поведенческите и физиологичните реакции в организма. Чрез свързване с рецептори в хипоталамуса, оксигенни и анорексигенни трансмитери участват в регулацията на апетита.

През 1994 г. е описан продуктът на ОБ гена лептин, който намалява глада посредством сигнал до мозъка за ситост. При празен стомах се повишава количеството на грелина (произвежда се в стомаха) и по вагусов път се повлияват центровете на апетита в мозъка. Лептинът и грелинът играят много съществена роля в контролиращата енергийния баланс система. Грелинът е включен в краткосрочната, а лептинът в дългосрочната регулация. Освен че участва в енергийния обмен на организма, той има отношение и към телесната маса. Лептинът е разглеждан и като един от факторите в патогенезата на ЗДТ2. Във физиологични условия лептинът има отношение към намаляване на синтезата на инсулин, а инсулинът влияе на мастната тъкан и повишава синтезата на лептин. Установено е, че вродена недостатъчност на лептин при гризачи и хора води до тежки форми на затлъстяване. Разглеждано е и отношението му към сърдечно-съдовата патология – чрез рецептори в тромбоцитите повишава тромбообразуването и влияе върху еластичността на артериалните съдове.

Известна е ролята на инкретин глюкагоноподобния пептид 1 (GLP-1) в регулацията на апетита. GLP-1 се използва успешно в лечението на ЗДТ2.

Той се отделя от Л-клетките на тънките черва по глюкозозависим начин и стимулира секрецията на инсулин и понижава секрецията на глюкагон. Ефектът му е и да забавя изпразването на стомаха и води и до понижаване на телесното тегло посредством рецептори в мозъка и засилване на чувството за ситост, намален апетит и намален енергиен внос.

Влияние върху теглото е установено и по отношение на допамина. По-ниските нива на допамин предизвикват желание за мазни храни.

Разнообразната и здравословна храна е един от сигурните пътища за здрав епигеном – с правилно метилиране на гените и правилни химически модификации на протеините, организиращи ДНК.