Исследования Cistanche: фармакологические эпигенетические модуляторы щелочной фосфатазы при хронической болезни почек, часть 2

НажмитеЗдесьдля части 1

ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯЩЕЛОЧНАЯ ФОСФАТАЗА

Термин «эпигенотип» был введен в 1942 г. Уоддингтоном, который пришел к выводу, что между генотипом и фенотипом лежит целый комплекс процессов развития» [84]. Современное определениеэпигенетикавключает модификации ДНК и ассоциированных белков, не включающие изменения основной последовательности ДНК, на которые влияет окружающая среда и которые сохраняются во время клеточного деления, что вызывает стабильные изменения в экспрессии генов [85&]. Главныйэпигенетическийфакторами являются метилирование ДНК, посттрансляционные изменения гистонов и структура хроматина более высокого порядка. Посттрансляционные модификации гистонов влияют на структуру хроматина, доступность и рекрутирование механизмов транскрипции, чтобы определять, включены или выключены гены. Эти динамические модификации управляют клеточными ответами на экологические, эволюционные или метаболические стимулы посредством модификации транскриптома. Однако,эпигенетикаможет лежать в основе дисрегуляции экспрессии генов при болезненных состояниях, включая рак [86] и патологические воспалительные процессы [87]. Ферменты или белки, которые генерируют или взаимодействуют сэпигенетическийизменения могут быть классифицированы как записывающие, стирающие или читающие, в зависимости от того, добавляют ли они, удаляют или распознают посттрансляционную модификацию (рис. 3).

РИСУНОК 3. Хроматин состоит из ДНК и белков, образующих компактную структуру, необходимую для упаковки и стабильности эукариотических хромосом. Основными компонентами белка являются гистоны, вокруг которых наматывается ДНК, образуя нуклеосому.Эпигенетикавключает ковалентные модификации хроматина, которые не влияют на основную последовательность ДНК. Ковалентные модификации хроматина воздействуют как на структуру хроматина, так и на привлечение транскрипционных комплексов, которые, в действительности, включают или выключают гены. Эти динамичныеэпигенетическиймодификации осуществляются путем добавления (записи) и удаления (стирания) посттрансляционных модификаций с последующим «чтением», которое диктует экспрессию генов и конечный фенотипический ответ.

Ацетилирование гистонов

Ацетилирование гистонов связано с открытой структурой хроматина, доступностью для связывания факторов транскрипции и активной транскрипцией [88&]. Гистон ацетилирования воздействуетщелочнойэкспрессия фосфатазы. Ингибиторы гистондеацетилазы (HDACi) усиливают ацетилирование хроматина. In vitro индуцированная HDACi экспрессиящелочнойфосфатаза-L способствует остеогенной дифференцировке мезенхимальных стволовых клеток человека [89]. Механически ацетилирование гистонов связано с регуляцией костных морфогенетических белков, передачей сигналов WNT и индукцией RUNX2 [90]. Влияет ли ацетилирование непосредственно на промоторыщелочнойфосфатазаВыражение -L является областью продолжающихся исследований.

Исследования метилирования ДНК показали, чтощелочнойфосфатазаПромотор -L A1E сильно метилирован [91]. Дельгадо-Калле и др. [92] продемонстрировали, что метилирование ДНК играет важную роль в модуляциищелочнойфосфатазаэкспрессия в остеобластоподобных клетках человека. Они показали обратную связь между статусом метилирования CpG-островка, простирающегося от -579 до þ836 п.н.щелочнойфосфатазаген, включая промоторную область, что означает, чтоэпигенетическийрегуляция деметилированием ДНК сильно усиливаетщелочнойфосфатазаэкспрессия и активность [92]. В VSMC нанокристаллы как фосфата, так и гидроксиапатита модулируют метилирование ДНК, что приводит к повышению активности щелочной фосфатазы и индукции остеобластоподобного фенотипа [93,94]

Цистанхе может предотвратить хроническое заболевание почек.

микроРНК

Длинные некодирующие РНК имикроРНКтакже являются ключевымиэпигенетическийфакторы, участвующие в посттранскрипционной регуляции генов [77,95&].микроРНКпредставляют собой небольшие некодирующие одноцепочечные молекулы РНК, примерно 18–25 нуклеотидов, которые ингибируют синтез белка путем связывания с 30- нетранслируемой областью мРНК, блокируя трансляцию белка и/или модулируя стабильность мРНК. С помощью компьютерных прогнозов было подсчитано, что более 50 процентов всех человеческих генов, кодирующих белок, потенциально регулируютсямикроРНК[96]. костно-регулирующиймикроРНКиграют ключевую роль в остеогенной дифференцировке и сигнальных путях, участвующих в остеогенезе [77,95&,97,98]. Ключевые факторы транскрипции Runx2 и Osx подавляются многочисленнымимикроРНКв плюрипотентных мезенхимальных клетках для подавления костного фенотипа в некостных клетках и тканях [77,99].

НемногомикроРНКбыло обнаружено, что они подавляют и стимулируют различные сигнальные пути, связанные с остеогенной дифференцировкой [95, 100, 200]. Снижение экспрессии мРНК коллагена I,щелочнойфосфатаза, и остеокальцин был обнаружен при избыточной экспрессии miR- 375, что позволяет предположить, что miR-375 может подавлять остеогенную дифференцировку путем нацеливания на Runx2 [101]. Также сообщалось, что сверхэкспрессия miR-133a-5p ингибируетщелочнойфосфатазаэкспрессия и минерализация посредством нацеливания на Runx2 [102]. Ли и др. [103] продемонстрировали, что miR-216a способствует дифференцировке остеобластов и усилению образования кости.

ФАРМАКОЛОГИЧЕСКИЕ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ ВМЕШАТЕЛЬСТВАЩЕЛОЧНАЯ ФОСФАТАЗА

микроРНК

Учитывая повсеместную экспрессию щелочной фосфатазы, ее центральную роль в биоминерализации и высокую частотукальцификация сосудову пациентов схроническийпочкаболезнь, целесообразно изучить фармакологическиеэпигенетическиймодуляция щелочной фосфатазы как потенциальная терапевтическая мера, направленная на профилактику сердечно-сосудистых осложнений ухроническийпочкаболезнь[9&]. Недавние данные указывают на то, чтомикроРНКдерегулируются вхроническийпочкаболезнь– минеральные и костные нарушения [104]. Экспериментальные исследования подтверждают идею о том, чтомикроРНКявляются потенциальными целями для улучшениякальцификация сосудов[100&]. Согласно miRBase версии 22, последовательности 2656 зрелых человеческихмикроРНКуже каталогизированы [105]. Следовательно, это сложная задача, чтобы включить большинствомикроРНКкоторые были исследованы на протяжении многих лет в этом обзоре. Однако недавние данные показывают, что фосфат-индуцированная кальцификация аорты запускает модуляцию миРНК путем усиления экспрессии миР-200c, миР-155 и миР-322, тогда как миР-708 и миР{{ 5}} были подавлены [106&]. ДругоймикроРНКкоторые участвуют вкальцификация сосудов, таким образом, потенциальными мишенями для лечения являются miR-29a/b, miR-30d/e, miR-125b, miR-135a, miR-143, miR-145, miR-204, miR223 и miR-762 [107]. Большинство этих микроРНК нацелены на два основных фактора транскрипции Runx2 и Osx, которые влияют на активность и биоминерализацию TN-щелочной фосфатазы. Несомненно,микроРНКиграют ключевую роль в регуляции прогрессированиякальцификация сосудов; однако большое обилиемикроРНКтребует расширенных крупномасштабных исследований всего эпигенома, чтобы в полной мере использовать потенциалэпигенетическийрегулированиемикроРНКдля новых терапевтических подходов к улучшениюкальцификация сосудов.

Бромодомены и экстратерминальное ингибирование Бромодомены и экстратерминальные (BET) белки BRD2, BRD3, BRD4 и BRDT являются ридерами хроматина, которые не только связывают ацетилированный лизин на гистоновых хвостах и ​​факторы транскрипции через бромодомены 1 и 2, но также задействуют транскрипционный аппарат для регуляции экспрессии генов. [108]. Ингибиторы BET (BETi) блокируют взаимодействие белков BET с ацетилированными гистонами или факторами транскрипции, чтобы воздействовать на экспрессию генов-мишеней [88&].Апабеталонепредставляет собой перорально доступный BETi, находящийся в клинической разработке для лечениясердечно-сосудистый болезнь. Он преимущественно связывается с бромодоменом 2 в белках BET (Fig. 4), что отличает его от pan-BETi, нацеленного на бромодомены 1 и 2 с одинаковой аффинностью [109]. В клинических испытаниях,апабеталонелечение уменьшило серьезные неблагоприятные сердечные события (MACE) у пациентов ссердечно-сосудистыйболезньи был связан со снижением относительного риска на 44% в дополнение к стандартному лечению [110&]. Снижение MACE только с помощью алфавита было связано со снижением сывороточной щелочной фосфатазы, независимо от традиционных сердечно-сосудистых факторов риска и воспаления [111&]. Исследования показали, что этот препарат одновременно модулирует факторы, которые способствуют стабилизации атеросклеротических бляшек и уменьшению MACE. Холестерин ЛПВП повышался [110&,112], в то время как каскад комплемента, реакция острой фазы и медиаторы сосудистого воспаления подавлялись [113,114].

РИСУНОК 4. Ацетилирование хроматина представляет собой эпигенетическую модификацию, связанную с открытой структурой хроматина и активной транскрипцией. Бромодомены и дополнительные концевые белки являются «считывателями хроматина», которые связывают ацетилированный лизин на гистонах или факторах транскрипции посредством двух тандемных бромодоменов 1 и 2 и задействуют транскрипционный аппарат (например, позитивный фактор элонгации транскрипции и РНК-полимеразу II) для управления экспрессией бромодомена и дополнительных терминальных чувствительных гены.Апабеталонепредставляет собой перорально доступный низкомолекулярный ингибитор бромодомена и экстратерминального бромодомена, который вызывает высвобождение бромодомена и экстратерминального белка из хроматина и, как следствие, подавление транскрипции бромодомена и экстратерминального чувствительного гена.Апабеталонепреимущественно нацелен на бромодомен 2 (представлен желтым ореолом), характеристика, которая отличает его от пан-бромодомена и дополнительных концевых ингибиторов, которые связывают бромодомены 1 и 2 с равной аффинностью.

Вхроническийпочкаболезньпациенты с историейсердечно-сосудистыйболезнь, улучшено лечение только алфавитомфункция почеки снижение циркулирующих уровней щелочной фосфатазы [115]. Механически,апабеталонеподавленныйщелочнойфосфатазаэкспрессия в первичных гепатоцитах человека и VSMC [116& ] и, как следствие, снижение уровня белка TN-щелочной фосфатазы и ферментативной активности. Низкомолекулярные ингибиторыщелочнойфосфатазабыли оценены как терапевтическиекальцификация сосудов[14], однако,апабеталонеможет быть первой молекулой на клинической стадии, которая модифицируетщелочнойфосфатазапроизводство. В пробирке,апабеталонепротиводействие кальцификации ГМК, культивируемых в остеогенных условиях, посредствомэпигенетическиймеханизм с участием BRD4, который подавлял индукцию прокальцифицирующих генов, в том числе RUNX2 и щелочныхфосфатаза[116& ].

Разовая дозаапабеталоневхронический почкаболезньу пациентов со стадией 4–5 быстро приводило к снижению уровня многочисленных воспалительных цитокинов, в том числе IL -6 [2]. В том же исследовании протеомное профилирование более 1300 белков плазмы предсказало активацию нескольких иммунных и воспалительных путей у пациентов с нарушениями.почкафункция, включая ядерный фактор-kB (NF-kB), IL -6 или передачу сигналов костного морфогенетического белка. Эти канонические пути были подавлены одной дозой апабеталона, что благоприятно повлияло бы на прогрессирование почечной недостаточности и связанные с ней нарушения функции почек.кальцификация сосудов.

Цистанхе может улучшитьфункции почек.

Бромодомен и экстратерминальное торможение при метаболических нарушениях костей: значение для почечной остеодистрофии

Отдельные доклинические модели метаболических заболеваний костей продемонстрировали, что BETi не ухудшает структуру или механические свойства кости, а вместо этого может увеличивать объем кости и восстанавливать механическую прочность [117–120]. Эти исследования показывают, что благотворное влияние BETi на заболевания костей связано с противовоспалительным действием, а такжеэпигенетическиймодуляция ключевых факторов костного ремоделирования, включая TN-щелочнойфосфатаза. N-метилпирролидон (NMP) — это вспомогательное вещество, одобренное Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США, идентифицированное как биологически активный BETi [121]. Исследования с NMP на доклинических моделях костной дегенерации позиционируют BETi как фармакологическую стратегию для профилактики или лечения заболеваний костей, характеризующихся чрезмерной резорбцией кости. Многочисленные исследования показали, что BETi подавляет воспалительные реакции, опосредованные TNFa и NF-kB [3,122–124]. NMP способствовал росту минерализованной кости, которая была заблокирована TNFα, и восстанавливал ингибированную TNFα экспрессию основных остеобластных генов, включаящелочнойфосфатаза, RUNX2 и SP7/Osterix [125]. Кроме того, NMP способствовал регенерации кости за счет усиления передачи сигналов BMP2 в остеобластах [126] и ингибировал дифференцировку остеокластов, чтобы ослабить резорбцию кости, вызванную активатором рецептора лиганда NF-kB [127]. Было показано, что NMP повышает жизнеспособность остеобластов во время гипоксии и противостоит опосредованному гипоксией подавлению ключевых генов, участвующих в минерализации, включаящелочнойфосфатаза[128]. Механически лечение NMP было защитным в поддержании дифференцировки остеобластов во время гипоксии, частично путем ингибирования передачи сигналов NF-kB. NMP сохранял минеральную плотность костей и качество костей у крыс с овариэктомией [121], существенно улучшая остеопороз, вызванный истощением эстрогенов. Результаты были подтверждены в аналогичных исследованиях с использованием N,N-диметилацетамида [127] или более мощного BETi JQ1, где лечение обращало вспять потерю костной массы, вызванную дефицитом эстрогена [117]. Эти данные подразумевают, что терапия BETi может увеличивать костную массу и улучшать обмен костной ткани при воспалительных заболеваниях костей и, возможно, прихроническийпочкаболезнь.

ВЫВОД

Циркулирующая щелочная фосфатаза является надежным и независимым маркером рискасердечно-сосудистыйболезньи смертность среди населения в целом ихроническийпочкаболезнь. Повсеместная экспрессия щелочной фосфатазы и ее участие в нескольких патофизиологических процессах, связанных ссердечно-сосудистыйболезнь, заболевание костей,хроническийпочкаболезньпрогрессирование, а когнитивная дисфункция делает его пригодным для многофакторногоэпигенетическийвмешательства. Положительные результаты клинических исследований с новым BETiапабеталонеуказывают на роль щелочной фосфатазы как возможной новой мишени для лечения сердечно-сосудистых заболеваний. Экспериментальные исследования с дополнительными БЭТмикроРНКпредполагают более широкий терапевтический потенциалэпигенетическиймодуляция щелочной фосфатазы. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы окончательно установить щелочную фосфатазу в качестве целевого уровня клинического лечения и выяснить влияние снижения уровня щелочной фосфатазы в сыворотке до конкретных целевых уровней на клинические исходы.

Благодарности

PM поддерживается грантами ALF. Регион Остерготланд, Швеция. КК-З. поддерживается грантами NIDDK R01- DK095668 и K24-DK091419, а также благотворительными грантами г-на Гарольда Симмонса, г-на Луи Чанга, доктора Джозефа Ли и AVEO.

Финансовая поддержка и спонсорство

Никто.

Конфликт интересов

MH является членом консультативного совета по почечным клиническим заболеваниям Resverlogix Inc. и сотрудником Diaverum Sweden, AB. Он получил гонорары за консультации и выступления от Resverlogix и Amgen. DG и EK являются сотрудниками Resverlogix. КК-З. является членом почечного клинического консультативного совета Resverlogix. У PM нет конфликта интересов, связанного с этой статьей.

ССЫЛКИ И РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЧТЕНИЕ

1. Стенвинкель П., Ларссон Т.Е.Хроническое заболевание почек: клиническая модель преждевременного старения. Am J Kidney Dis 2013; 62:339–351.

2. Куман Дж. П., Котанко П., Шолс А. М. и соавт.Хроническое заболевание почеки преждевременное старение. Nat Rev Нефрол 2014; 10: 732–742.

3. Васиак С., Цудзикава Л.М., Холлидей С. и др. Преимуществоапабеталонебелков плазмы при почечной недостаточности. Международная ассоциация почек, 2018 г.; 3: 711–721.

4. Миллан Дж. Маммалянщелочная фосфатаза: от биологии к приложениям в медицине и биотехнологии. Вайнхайм: Уайли; 2006.

5. Buchet R, Millan JL, Magne D. Мультисистемные функциищелочная фосфатаза. Методы Мол Биол 2013; 1053: 27–51.

6. Анх Д.Дж., Иден А., Фарли Дж.Р. Количественное определение растворимых и скелетныхщелочная фосфатаза, и нерастворимыйщелочная фосфатазаЯкорно-гидролазная активность в сыворотке крови человека. Клин Чим Акта 2001; 311: 137–148.

7. Anh DJ, Dimai HP, Hall SL, Farley JR. скелетщелочная фосфатазаактивность в основном высвобождается из остеобластов человека в нерастворимой форме, а чистое высвобождение ингибируется кальцием и факторами роста скелета. Calcif Tissue Int 1998; 62:332–340.

8. Магнуссон П., Шарп К.А., Фарли Дж.Р. Различное распределение костей человекащелочная фосфатазаизоформ в сыворотке и экстрактах костной ткани. Клин Чим Акта 2002; 325:59–70.