Прескочи към главното съдържание на страницата

Архив


БРОЙ 5 2016

Епигенетични модификации в патогенезата на ревматоиден артрит

виж като PDF
Текст A
д-р Р. Шумналиева, д-р. С. Монов, проф. д-р Зл. Коларов
Клиника по ревматология, МУ – гр. София


Епигенетичните механизми на регулация повлияват генната експресия на посттранс­крипционно ниво. Нарушения в процесите на тяхната реализация водят до възникване и прогресия на редица злокачествени и автоимунни ревматични заболявания, в това число и ревматоиден артрит (rheumatoid arthritis – RA). Патоморфологично болестта се характеризира с възпаление и хиперплазия на синовиалната мембрана, разрастване на гранулационна тъкан и деструктивни промени в хрущяла и подлежащата кост. В последните години се натрупаха значителни доказателства за ролята на епигенетичните фактори в дисрегулацията на имунната система и възникването на хронична възпалителна реакция в синовията.

Ключови думи: епигенетични механизми, ревматоиден артрит, патогенеза, дисрегулация, имунна система

Ревматоидният артрит (RA) е автоимунно, хронично възпалително, системно заболяване, което възниква в резултат на взаимодействието между имунологични, генетични и епигенетични фактори и фактори на околната среда.

Водеща клинична проява на RA е симет­ричният ерозивен артрит, ангажиращ периферните стави. Патоморфологично болестта се характеризира с възпаление и хиперплазия на синовиалната мембрана, разрастване на гранулационната тъкан и деструктивни промени в хрущяла и подлежащата кост[1-3].

Етиологията на RA не е известна. Обсъжда се ролята на различни фактори, които имат отношение към възникването и поддържането на болестния процес[4]. На молекулярно ниво водеща патогенетична роля имат: Т- и B-клетки, дендритни клетки (DCs), фибробласто-подобни синовиоцити (FLS), toll-like рецептори (TLRs), провъзпалителни цитокини – IL-1ß (Interleukin-1 beta), IL-6 (Interleukin-6), TNFα (tumor necrosis factor alfa) и др.[5-7].

Характерни за RA са промените в процесите на вродения и придобития имунен отговор. Доказана е връзката между появата на болестта и носителството на някои алели от HLA (Human Leucocyte Antigen) системата – DR4, DR1 и др., като част от големия комплекс за тъканна съвместимост (Major Histocompatibility Complex – MHC)[8,9]. Друг генетичен рисков фактор за възникване на RA и прогностичен маркер за по-тежък клиничен ход на болест­та е носителството на специфични „споделени епитопи“ (SEs) и алели с тези епитопи (напр. DRB1)[10]. Доказана е връзката на RA и с носителството на генни полиморфизми извън HLA системата, като R620W PADI, SLC22A4, FCRL3 и STAT4[11,12]. Проучва се ролята и на други генетични маркери, отговорни за синтеза на цитокини и хемокини, участващи в патогенезата на болестта и др.[13].

Въпреки сериозните достижения в изучаването на влиянието на генетичните фактори и факторите на околната среда върху процесите на формиране и развитие на RA, все още не са добре проучени факторите, контролиращи генната изява.

Съвременните научни проучвания върху патогенезата на RA показват, че възникването и развитието на болестта могат да се свържат с натрупване на специфични модификации в генната експресия по време на индивидуалното развитие на човека[14,15]. Тези промени в наследствената информация се определят като епигенетични. За разлика от генетиката, която изучава гените, наследствеността и изменчивостта на организма, епигенетиката изследва механизмите, които променят генната експресия без да нарушават последователността на нуклеотидите от веригата на ДНК, т.е. епигенетичните фактори повлияват експресията на гените и функцията на техните крайни продукти.


Епигенетични механизми на регулация

Интересът към епигенетичната регулация е значителен, тъй като същата има отношение към тъканно-специфичната генна експресия и към предотвратяване на появата на мутации. Епигенетично обусловените промени могат да се унаследят при митотичното делене на соматичните клетки. Това е механизъм, чрез който околната среда влияе дългосрочно върху генната експресия[16,17].

Основните механизми на епигенетичната регулация са:

  • ДНК метилиране.
  • Модификация на хистонови протеини.
  • Синтез на микрорибонуклеинови киселини (miRNAs)[18].


ДНК метилиране

ДНК метилирането е най-широко проучваната епигенетична модификация. Това е процес на добавяне на метилова група към цитозиновите бази от молекулата на ДНК под влияние на ензима DNMT-1 (ДНК-methyltransferase-1). ДНК метилирането води до потискане изявата на съответните гени[14,18].

Доказани са промени в процеса на ДНК метилиране при болни от RA[19,20]. E. Karouzakis и съавтори установяват, че повишеният синтез на ензими с деградационни свойства от синовиалните фибробласти се дължи на хипометилиране на промотърните области в кодиращите ги гени[21,22].


Mодификация на хистонови протеини

Генната експресия и репликацията на ДНК се променя чрез посттранслационно модифициране на аминокиселините, изграждащи хистоновите протеини.


Ацетилиране и деацетилиране на хистоновите протеини при RA

Най-изучената хистонова модификация е тази, свързана с ацетилиране и деацетилиране на лизиновите остатъци в молекулата на хистони H3 и H4. Този процес протича под влияние на две групи хистон-модифициращи ензими: хистон ацетилтрансферази (HATs) и хистондеацетилази (HDACs).

Установени са промени в хистоновите молекули в синовиалната тъкан и синовиалните фибробласти при болни от RA в промотърните области на гени за протеини, регулиращи продукцията на IL-6, Wnt-сигналния път и др.[23]. Моноцитите от периферната кръв при болни от RA имат повишена активност на HDACs, която не се влияе от провежданото лечение с анти-ТNFα препарат. Повишената експресия на HDAC1 се открива и във FLS. Това стимулира клетъчната пролиферация и резистентността на клетките към апоптоза[24,25]. Общата активност на HDACs и експресията на HDAC1 във FLS се повишава след стимулиране на клетките с ТNFα, което показва, че локалните промени в цитокиновата продукция повлияват на процесите на хистонова модификация и вероятно участват в патогенезата на RA[26,27].

Приложението на инхибитори на HDACs (напр. трихостатин А – противогъбичен препарат) подтиска индуцираната от TNFα или от лиганди на ТLRs експресия на IL-6 в FLS и синовиалните макрофаги. Един от молекулните механизми, обясняващи този ефект, е ускореното разграждане на mRNA за IL-6[28]. Противовъзпалителният и антидеструктивният ефект на инхибиторите на HDACs в експериментални условия се дължи на потискане на активацията на FLS и индуциране на апоптоза в синовиалните макрофаги[29].


Метилиране на хистоновите протеини при RA

Метилирането на хистоните се осъществява под влияние на ензима хистон-метилтрансфераза и настъпва в лизиновите и/или аргининовите аминокиселинни остатъци на хистони Н3 и Н4. Първото описание на промени в метилирането на хистоните при RA правят М. Trenkmann и сътр.[30]. Авторите доказват, че повишените нива на метилтрансферазен ензим водят до ниски нива на инхибитора на Wnt-сигналния път, който регулира диференциацията на ставните тъкани и участва в патогенезата на възпалителния процес при артрит.


Синтез на микрорибонуклеинови киселини (miRNAs)

Характеристики на miRNAs: miRNAs са нов клас, некодиращи, къси (съставени от 19-25 нуклеотиди) рибонуклеинови киселини (RNAs), които регулират генната експресия и синтеза на ключови за развитието на организмите протеини[31,32]. При различни видове животни, растения и вируси са изолирани голям брой miRNAs, като над 900 miRNAs от тях контролират повече от една трета от протеин-кодиращите гени[33,34].

miRNAs регулират генната експресия на посттранслационно ниво, като пов­лияват на експресията на таргетната матрична информационна RNA (mRNAs), подтискайки транслацията ù или директно чрез прекъсване на нуклеотидната верига на самата mRNA[35]. Действат върху няколко транскрипта, а не върху един-единст­вен ген.

Връзката на miRNA с процесите на реализиране на вродения и придобития имунитет, Т- и В-клетъчната функция, хемопоезата, диференциацията на остеокластите и др. предполага участието им в патогенезата на редица автоимунни заболявания, в частност и на RA[36,37].

Първите публикации за ролята на miRNAs при RA датират от 2008 г. Броят им расте непрекъснато. Установената дисрегулация в експресията на miRNAs при болни от RA в различни тъкани и биологични течности (периферна кръв, плазма, серум, клетки от периферна кръв, синовиална течност, синовиална тъкан и синовиални фиб­робласти, Т- и В-лимфоцити, моноцити, макрофаги, DCs и др.) предполага участието им в молекулярните механизми на болестта[38,39]. Изучаването на дисрегулацията в експресията на miRNAs при RA е нова съществена стъпка както за изясняване патогенезата на болестта, така и за оценка на болестната активност и терапевтичния отговор[40,41].

При реализиране на вродения имунен отговор се наблюдава промяна в експресията на редица miRNAs[36,42].

Ендотоксиновите LPS, които действат чрез TLR-4, повишават експресията на miR-146, miR-132, miR-155 в човешките моноцити[3,48]. L. O’Neil и сътр. описват връзката между нивата на експресия на отделните miRNAs в различни човешки клетъчни типове, в зависимост от активираните сигнални пътища през TLRs[43].

Централната роля на FLS в патогенезата на RA предполага изследване на профила на експресия на miRNAs в тях. Активирането на FLS води до синтез на проинфламаторни медиатори, като IL-1ß, IL-6 и TNFα, тромбоцитен растежен фактор, простагландини и субстанция P, ангиогенни фактори, отговорни за синовиалната неоваскуларизация и др. FLS играят ключова роля при костно-ставната деструкция и участват в диференциацията и активацията на остеокластите чрез сигналния път RANK-RANKL. Предполага се, че те отделят простагландин Е2 и IL-6 и участват в разпро­странението на възпалителния процес към незасегнатите стави[44]. Под влияние на проинфламаторни цитокини, FLS експресират по повърхността си TLR, като TLR1, TLR2, TLR3, TLR4, TLR5, TLR6 и TLR7[45].

При болните от RA е установена промяна в експресията на miR-124 във FLS. Това има отношение към клетъчната пролиферация, левкоцитния хемотаксис и ангиогенезата. miR-124 регулира секрецията на моноцитен хемо­атрактантен протеин (MCP-1), който регулира синтеза на съдовия ендотелен растежен фактор (VEGF)[38].

Високите нива на miR-346 във FLS при RA индиректно модулират секрецията на IL-18. В експериментален модел на RA е установено, че експресията на miR-346 във FLS се повишава след стимулация с LPS, което води до понижаване на нивата на IL-18[46].

Друга miRNA с променена експресия във FLS при RA е miR-203. Повишените нива на miR-203 във FLS стимулират синтеза на матриксна металопротеиназа-1 и IL-6 чрез модулиране на сигнализацията през NF-κB. Това доказва участието на miR-203 в развитието на активиран фенотип на FLS при RA[47].

За формиране на активирания фенотип на FLS при RA роля играе и miR-17-92. Произлизащата от нея miR-18а активира NF-κB-сигналния път във FLS и синтеза на матриксните деградационни ензими и медиатори на възпалителния процес. Тези процеси са в основата на хрущялната деструкция и поддържането на хроничното възпаление, характерно за RA[48].

Освен персистиращото клетъчно активиране и пролиферация, в основата на хиперплазията на FLS при RA стоят и нарушените механизми на програмирана клетъчна смърт – апоптоза. RA FLS са невъзприемчиви към външни и към вътрешни проапоптозни сигнали, вкл. рецептор-медиирана апоптоза и митохондриални сигнални пътища. Процесът на клетъчна пролиферация на FLS се регулира от различни фактори, като рецептори за клетъчната смърт, цитокини, сигнални молекули, тумор-супресорни гени[49].

Резултатите от изследването на връзката на miR-34a и механизмите на апоптозата, поставиха началото на клинични изпитвания на т.нар. „miRNA-терапия” при онкологичните заболявания[50]. Ниската експресия на miR-34a се свързва с високи нива на нейната таргетна молекула, водещи до резистентност на FLS при RA към апоптоза.

Изучаването на епигенетичните механизми на регулация разкрива нови аспекти в патогенезата на RA и прави възможно откриването на нови биомаркери за болестна активност и прог­ноза. Бъдещите проучвания в тази област ще показват дали епигенетичните промени могат да се използват за създаването на качествено нова биологична терапия.
  

   

   
книгопис:
1.    Шейтанов, Й. Ревматоиден артрит, София, 1989.
2.    Klareskog, L., A. L. Catrina, S. Paget. Rheumatoid arthritis, Lancet, 2009; 373(9664): 659-672.
3.    Mac Gregor, A., A. Silman. Rheumatoid arthritis: Classification and Epidemiology, Rheumatology, ed. Klippel and Dieppe, 2nd ed., 1998; 5: 2-3.
4.    Kvien, T. K., H. U. Scherer, G. R. Burmester. Rheumatoid arthritis, EULAR Compendium on Rheumatic diseases, 2009; 61-80.
5.    Коларов, Зл. Съвременни аспекти в патогенезата на ревматоидния артрит, Ун. изд. „Св. Кл. Охридски“, София, 1997.
6.    Сарафян, В. Toll-like receptors в ревматологията – какво знаем и какво не знаем, на какво се надяваме, 2011; 4: 18-25.
7.    Ospelt, C., F. Brentano, Y. Rengel et al. Overexpression of toll-like receptors 3 and 4 in synovial tissue from patients with early rheumatoid arthritis: toll-like receptor expression in early and longstanding arthritis, Arthritis Rheum., 2008; 58(12): 3684-3692.
8.    Panayi, G. S., P. Wooley, J. R. Batchelor. Genetic basis of rheumatoid disease: HLA antigens, disease manifestations, and toxic reactions to drugs, Br. Med. J., 1978; 2(6148): 1326-1328
9.    Stastny, P. Association of the B-cell alloantigen DRw4 with rheumatoid arthritis. N Engl J Med. 1978; 298 (16): 869-871.
10.    de Almeida, D. E., S. Ling, J. Holoshitz. New insights into the functional role of the rheumatoid arthritis shared epitope, FEBS Lett., 2011; 585(23): 3619-3626.
11.    Chang, X., Y. Xia, J. Pan, et al. PADI2 is significantly associated with rheumatoid arthritis, PLoS One, 2013; 5; 8(12): e81259.
12.    Martin, J. E., B. Z. Alizadeh, M. A. Gonzalez, et al. Evidence for the PTPN22 R620W polymorphism as the sole common risk variant for rheumatoid arthritis in the 1p13.2 region, J. Rheumatol., 2011; 38(11): 2290-2296.
13.    Lee, H., B. Korman, J. Le, et al. Genetics risk factors for rheumatoid arthritis differ in Caucasian and Korean populations, Arthritis Rheum., 2009; 60(2): 364-371.
14.    Шумналиева, Р., Зл. Коларов. Епигенетика в ревматологията, Ревматология, 2011; 4: 13-17.
15.    Klein, K., S. Gay. Epigenetic modifications in rheumatoid arthritis, a review, Curr. Opin. Pharmacol., 2013; 13(3): 420-425.
16.    Skinner, M. K. Environmental epigenetic transgenerational inheritance and somatic epigenetic mitotic stability, Epigenetics, 2011; 6(7): 838-842
17.    Tian, X. Reprogramming of epigenetic inheritance by somatic cell nuclear transfer, Reprod. Biomed. Online, 2004; 8(5): 501-508.
18.    Weinhold, B. Epigenetics: The science of change, Envirn. Health Perspect., 2006; 114(3):A160-A167.
19.    Bottini, N., G. S. Firestein. Epigenetics in rheumatoid arthritis: a primer for rheumatologists, Curr. Rheumatol. Rep., 2013; 15(11): 372.
20.    de la Rica, L., J. M. Urquiza, D. Gómez-Cabrero, et al. Identification of novel markers in rheumatoid arthritis through integrated analysis of ДНК methylation and microRNA expression, J. Autoimmun., 2013; 41: 6-16.
21.    Karouzakis, E., R. E. Gay, B. A. Michael, et al. ДНК methylation in rheumatoid synovial fibroblasts, Arthritis Rheum., 2009; 60(12): 3613-3622.
22.    Karouzakis, E., Y. Rengel, A. Jüngel, et al. ДНК methylation regulates the expression of CXCL12 in rheumatoid arthritis synovial fibroblasts, Genes Immun., 2011; 12(8): 643-652.
23.    Wata, T. T., Y. Araki, K. Sato, et al. Aberrant histone acetylation contributes to elevated interleukin-6 production in rheumatoid arthritis synovial fibroblasts, Biochem. Biophys. Res. Commun., 2014; 444(4): 682-686.
24.    Kawabata, T., K. Nishida, K. Takasugi, et al. Increased activity and expression of histone deacetylase 1 in relation to tumor necrosis factor-alpha in synovial tissue of rheumatoid arthritis, Arthritis Res. Ther., 2010; 12(4): R133.
25.    Horiuchi, M., A. Morinobu, T. Chin, et al. Expression and function of histone deacetylases in rheumatoid arthritis synovial fibroblasts, J. Rheumatol., 2009; 36(8): 1580-1589.
26.    Frank-Bertoncelj, M., S. Gay. The epigenome of synovial fibroblasts: an underestimated therapeutic target in rheumatoid arthritis, Arthritis Res. Ther., 2014; 16(3): 117.
27.    Grabiec, A. M., K. A. Reedquist. Histone deacetylases in RA: epigenetic and epiphenomena, Arthritis Res. Ther., 2010; 12(5): 142.
28.    Grabiec, A. M., O. Korchynskyi, P. P. Tak, K. A. Reedquist. Histone deacetylase inhibitors suppress rheumatoid arthritis fibroblast-like synoviocyte and macrophage IL-6 production by accelerating mRNA decay, Ann. Rheum. Dis., 2012; 71(3): 424-431.
29.    Klein, K., C. Ospelt, S. Gay. Epigenetic contributions in the development of rheumatoid arthritis, Arthritis Res. Ther., 2012; 14(6): 227.
30.    Trenkmann, M., M. Brock, R. E. Gay, et al. Expression and function of EZH2 in synovial fibroblasts: epigenetic repression of the Wnt inhibitor SFRP1 in rheumatoid arthritis, Ann. Rheum. Dis., 2011; 70(8): 1482-1488.
31.    Baulcombe, D. C. Short silencing RNA: the dark matter of genetics?, Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol., 2006; 71: 13-20.
32.    Chen, Q. W., X. Y. Zhu, Y. Y. Li, Z. Q. Meng. Epigenetic regulation and cancer (review), Oncol. Rer., 2014; 31(2): 523-532.
33.    Bentwich, I., A. Avniel, Y. Karov, et al. Identification of hundreds of conserved and nonconserved human microRNAs, Nat. Genet., 2005; 37(7); 766-770.
34.    Kundu, S. T., F. J. Slack. Robust and specific inhibition of microRNAs in Caenorhabditis elegans, J. Biol. 2010; 9(3):20.
35.    Hawkins, P. G., K. V. Morris. RNA and transcriptional modulation of gene expression, Cell Cycle, 2008; 7(5): 602-607.
36.    Lindsay, M. A. microRNAs and the immune response, Trends Immunol., 2008; 29(7): 343-351.
37.    Nahid, M. A., M. Satoh, E. K. Chan Mechanistic role of microRNA-146a in endotoxin-induced differential cross-regulation of TLR-signaling, J. Immunol., 2011; 186(3): 1723-1734.
38.    Nakamachi, Y., S. Kawano, M. Takenokuchi, et al. MicroRNA-124a is a key regulator of proliferation and monocyte chemoattractant protein 1 secretion in fibroblast-like synoviocytes from patients with rheumatoid arthritis, Arthritis Rheum., 2009; 60(5): 1294-1304.
39.    Nakasa, T., S. Miyaki, A. Okubo, et al. Expression of microRNA-146 in rheumatoid arthritis synovial tissue, Arthritis Rheum. 2008; 58(5): 1284–1292.
40.    Filkova, M., B. Aradi, L. Senolt, et al. Association of circulating miR-223 and miR-16 with disease activity in patients with early rheumatoid arthritis, Ann Rheum. Dis., 2014; 73(10): 1898-1904.
41.    Filkova, M., C. Ospelt, S. Vettori, et al. Circulating Mir-223 Is Associated with Disease Activity and May Predict the Response to Therapy in Treatment naive Patients with Early Rheumatoid Arthritis, Arthritis Rheum., 2012; 64 Suppl. 10: 2123.
42.    Quinn, S., L. A. O’Neill. A trio of microRNAs that control Toll-like receptor signaling, Int. Immunol., 2011; 23(7): 421-425.
43.    O’Neil, L. A., F. J. Sheedy, C. E. McCoy. MicroRNAs: the fine-tuners of Toll-like receptor signaling, Nat. Rev. Immunol., 2011; 11(3): 163-175.
44.    Mor, A., S. B. Abramson, M. H. Pillinger. The fibroblast-like synovial cell in rheumatoid arthritis: a key player in inflammation and joint destruction, Clin. Immunol. 2005; 115(2):118–128.
45.    Barton, G. M. A calculated response: control of inflammation by the innate immune system, J. Clin. Invest., 2008; 118(2): 413-420.
46.    Alsaleh, G., G. Suffert, N. Semaan, et al. Bruton’s tyrosine kinase is involved in miR-346-related regulation of IL-18 release by lipopolysaccharide-activated rheumatoid fibroblast-like synoviocytes, J. Immunol., 2009; 182(8): 5088-5097.
47.    Stanczyk, J., C. Ospelt, E. Karouzakis, et al. Altered expression of microRNA-203 in rheumatoid arthritis synovial fibroblasts and its role in the fibroblast activation, Arthritis Rheum., 2011; 63(2): 373-381.
48.    de Pontual, L., E. Yao, P. Callier, et al. Germline deletion of the miR-17~92 cluster causes skeletal and growth defects in humans, Nat. Genet., 2011; 43(10): 1026-1030.
49.    Niederer, F., M. Trenkmann, C. Ospelt, et al. Down-regulation of microRNA-34a in rheumatoid arthritis synovial fibroblasts promotes apoptosis resistance, Arthritis Rheum., 2012; 64(6): 1771-1779.
50.    Raver-Shapira, N., E. Marciano, E. Meiri, et al. Transcriptional activation of miR-34a contributes to p53-mediated apoptosis, Mol. Cell, 2007; 26(5): 731-743.