Nedávné pokroky v epigenetice onemocnění ledvin souvisejících s věkem

Abstraktní:Renální stárnutí přitahuje stále větší pozornost v dnešní stárnoucí společnosti, protože starší lidé v pokročilém věku jsou náchylnější k různýmporuchy ledvinjako je akutní poškození ledvin(AKI) achronické onemocnění ledvin(CKD). Neexistuje žádný jednoznačný univerzální mechanismus pro identifikacionemocnění ledvin související s věkem, a proto představují značné lékařské avýzva pro veřejné zdraví. Epigenetika se týká studia dědičných modifikací v regulaci genové exprese, které nevyžadují změny v základní sekvenci genomové DNA. Jako potenciální biomarkery a terapeutické cíle v mnoha oblastech, včetněkardiovaskulární choroby, onemocnění imunitního systému, onemocnění nervového systémua novotvary. Hromadné důkazy v posledních letech naznačují, že se na nich podílejí epigenetické modifikacerenální stárnutí. Nebyl však proveden žádný předchozí systematický přehled, který by systematicky zobecňoval vztah meziepigenetika a onemocnění ledvin související s věkem. V tomto přehledu se snažíme shrnout nedávné pokroky v epigenetických mechanismech onemocnění ledvin souvisejících s věkem a také diskutovat o aplikaci epigenetických modifikátorů jako potenciálních biomarkerů a terapeutických cílů v oblastionemocnění ledvin související s věkem. Stručně řečeno, hlavní typy epigenetických procesů včetně methylace DNA, modifikací histonů a modulace nekódující RNA (ncRNA) se všechny podílejí na progresi onemocnění ledvin souvisejících s věkem a terapeutické zacílení těchto procesů přinese nové terapeutické strategie. pro prevenci a/nebo léčbu onemocnění ledvin souvisejících s věkem.

Klíčová slova: epigenetika; modifikace histonů; methylace DNA; regulace nekódující RNA;aonemocnění ledvin související s ge

KLIKNĚTE ZDE, ABY SE CISTANCHE LÉČILVĚKOVÉ ONEMOCNĚNÍ LEDVIN

1. Úvod

S rychlým rozvojem sociální ekonomiky a zlepšováním zdravotní péče se průměrná délka života běžné populace nadále prodlužuje, což má za následek výrazně rostoucí podíl starší populace [1]. Podle statistik Světové zdravotnické organizace (WHO) se odhaduje, že do roku 2050 budou na celém světě přibližně dvě miliardy lidí starších 60 let [2–4]. Mezi všemi problémy způsobenými stárnutím se stárnutí ledvin stává nezanedbatelným. Přestože proces stárnutí přímo nezpůsobuje onemocnění ledvin, stárnoucí ledviny jsou náchylnější k různým nepříznivým faktorům, jako je vysoký krevní tlak, cukrovka, obezita nebo primární poruchy ledvin, které mohou přispívat k rozvoji ledvinových patologií. Stárnutí je spojeno s nevyhnutelným časově závislým poklesem funkce ledvin [5,6]. Mezi hlavní patologické charakteristiky staré ledviny patří arterioskleróza, glomeruloskleróza, tubulární atrofie a intersticiální fibróza [7]. Četné studie konkrétně ukázaly, že stárnutí je uznáváno jako hlavní přispěvatel ke zvýšenému výskytu akutního poškození ledvin (AKI) a chronického onemocnění ledvin (CKD) v celkové populaci [7–9]. Incidence úmrtí na renální dysfunkci navíc celosvětově roste souběžně se stárnutím populace. Základní mechanismy stárnutí ledvin však dosud nebyly jasně objasněny a zůstávají předmětem současného výzkumu. Rozumné řešení problémů stárnutí populace tedy vyžaduje identifikaci základních příčin tohoto jevu a také efektivní řešení problémů, které přinesou obrovské sociální výhody.

Dosud bylo zjištěno, že několik mechanismů úzce souvisí s poklesem funkce orgánů souvisejícím s věkem, včetně nestability genomu, opotřebení telomer, epigenetických změn, ztráty proteostázy, dysregulovaného vnímání živin, mitochondriální dysfunkce, buněčné stárnutí a vyčerpání kmenových buněk. změněná mezibuněčná komunikace [6,10], mezi nimiž jsou epigenetické změny nově identifikovanými znaky stárnutí v posledním desetiletí [6,11]. Epigenetika se týká především studia molekulárních procesů, které regulují genovou expresi a také fenotyp beze změny primární sekvence DNA, což zahrnuje především metylaci DNA, posttranslační modifikace histonů, remodelaci chromatinu a regulaci nekódujícími RNA (ncRNA). V posledních letech je kritické roli epigenetických změn věnována zvýšená pozornost pro její zapojení do různých chorobných procesů a také do normálních fyziologických funkcí. Navíc je nyní obecně přijímáno, že methylace DNA a modifikace histonů se otiskují během embryonálního vývoje a musí být zachovány u dospělých pro zdraví a fenotypovou stabilitu [12]. Mezitím přibývající důkazy naznačují, že stárnutí buněk a organismů je úzce spojeno s hlubokými změnami v řadě epigenetických modifikací, které vedou ke změněným vzorcům genové exprese [13,14]. Zejména hromadící se důkazy prokázaly, že epigenetické změny, jako je metylace DNA [15–18], modifikace histonů [19,20] a regulace ncRNA [21–23], se podílejí na iniciaci a rozvoji procesů stárnutí ledvin [24]. ]. Aberantní epigenetické modifikace, zejména včetně methylace DNA [11,17], modifikací histonů [20,25,26] a regulace ncRNA [27,28], se také stále více podílejí na řízení onemocnění ledvin souvisejících s věkem. Nebyl však proveden žádný předchozí systematický přehled, který by systematicky zobecňoval vztah mezi epigenetikou a onemocněními ledvin souvisejícími s věkem.

Epigenetika je rychle rostoucí oblastí výzkumu a existuje hluboký zájem o využití epigenetických jevů jako diagnostických biomarkerů nebo terapeutických cílů nemocí souvisejících se stárnutím [29]. V tomto přehledu shrnujeme současné chápání patofyziologických rolí epigenetiky, zejména se zaměřením na metylaci DNA, modifikace histonů a modulaci ncRNA, u onemocnění ledvin souvisejících s věkem. Zároveň se zaměřujeme na slibné využití těchto epigenetických změn jako potenciálních nástrojů pro včasnou diagnostiku, léčbu a prevenci onemocnění ledvin souvisejících s věkem. Celkově vzato navrhujeme, že epigenetika hraje klíčovou roli v procesu stárnutí a mohla by být použita jako potenciální terapeutické cíle pro léčbu onemocnění ledvin souvisejících s věkem, což si vyžaduje další zkoumání pro rozšíření příslušných znalostí.

2. Fenotyp a mechanismus stárnutí ledvin

2.1. Molekulární mechanismy stárnutí

Stárnutí je spojeno s nevyhnutelným časově závislým poklesem buněčných, tkáňových a orgánových funkcí [30], který přitahoval širokou pozornost a zvědavost výzkumníků v průběhu celé historie lidstva [6]. Ačkoli teorii stárnutí navrhl již v roce 1956 Denham Harman [31], teprve v roce 1983, kdy byly izolovány první dlouhověké kmeny z Caenorhabditis elegans, začala nová éra ve výzkumu stárnutí [32 ]. V současné době navrhované mechanismy, které přispívají k procesu stárnutí, zahrnují genomickou nestabilitu, opotřebování telomer, epigenetické změny, ztrátu proteostázy, deregulované snímání živin, mitochondriální dysfunkci, buněčné stárnutí a vyčerpání kmenových buněk, stejně jako změněnou mezibuněčnou komunikaci. Kromě toho je proces stárnutí také hluboce ovlivněn vnějšími faktory [33], jako jsou špatné životní návyky a nepříznivé faktory životního prostředí, které jsou také spojeny se stárnutím těla [34,35]. Naproti tomu návyky zdravého životního stylu, jako jsou správné stravovací návyky a mírné cvičení, mohou účinně oddálit stárnutí a zlepšit kvalitu života stárnoucí populace [34,35]. Navzdory četným teoriím, které byly během posledních čtyř desetiletí navrženy k vysvětlení fenoménu stárnutí, přesné mechanismy, které řídí základní proces stárnutí, nejsou dosud plně pochopeny [36,37].

Přestože je proces stárnutí člověka spojen s postupným poklesem funkce různých orgánových systémů, mezi lidmi stejné věkové skupiny existují značné rozdíly v důsledku kombinace genetických a epigenetických faktorů a také faktorů prostředí [24]. Jako takový neexistuje žádný zlatý standard pro určení toho, co představuje zdravé stárnutí, ani jediný biomarker nemůže poskytnout platnou a spolehlivou míru biologického stárnutí [38]. V posledních několika desetiletích byla navržena a vyhodnocena řada kandidátských biomarkerů stárnutí s vysokým potenciálem, ale žádný z nich se neukázal jako univerzálně použitelný [39–41]. Je zřejmé, že k získání systematického pochopení základních mechanismů procesu stárnutí je zapotřebí hlubšího výzkumu, aby bylo možné přesně předpovědět stárnutí a identifikovat jedince s vysokým rizikem rozvoje nemocí nebo postižení souvisejících s věkem.

2.2. Patologické charakteristiky stárnoucí ledviny

Stárnutí je spojeno s nevyhnutelným poklesem renálních funkcí v závislosti na čase a zvýšenou náchylností k různým akutním nebo chronickým onemocněním ledvin [5,6], což představuje obrovskou zátěž pro zdravotnické systémy na celém světě. Abychom objevili účinné metody pro oddálení stárnutí ledvin, stává se velmi nutné identifikovat faktory, které řídí změny ledvin související s věkem [3,42]. Zdraví ledvin závisí na různých faktorech včetně genetického pozadí, pohlaví, rasy, oxidativního stresu a chronického zánětu a také na epigenetických faktorech (např. metylace DNA, modifikace histonů), z nichž všechny hrají klíčovou roli v procesu stárnutí ledvin [ 43]. Ačkoli data získaná z experimentů na buňkách i na zvířatech naznačují více cest, které jsou potenciálně důležité pro stárnutí ledvin (obrázek 1), údaje podporující jejich zapojení u lidí jsou v současnosti vzácné a vyžadují další výzkum.

Obrázek 1. Schematický diagram hlavních mechanismů a fenotypu stárnutí ledvin. S přibývajícím věkem dochází k výrazným změnám jak ve funkci, tak ve stavbě ledviny. Více cest souvisejících s věkem přispívá ke změněným renálním výsledkům u starších osob.

S přibývajícím věkem dochází v ledvině k nevratným změnám na mikroskopické a makroskopické úrovni, stejně jako na klinické a funkční úrovni. Bylo popsáno, že hmotnost ledvin klesá od třetí do osmé dekády života, přičemž k nejstrmějšímu poklesu dochází po 50. roce věku [44,45], ale zobrazovací analýza ukazuje, že objem ledvinového parenchymu zůstává nezměněn [46]. To může být z velké části přičítáno kompenzační hypertrofii nepostižených nefronů v reakci na ztrátu nefronů vyvolanou glomerulosklerózou a tubulární atrofií [47]. V ledvinách se stárnutím dochází k řadě strukturálních změn, jak je ukázáno na obrázku 1, zejména včetně sníženého počtu nefronů, snížení celkové velikosti nefronů, tloušťky glomerulární bazální membrány (GBM), glomerulosklerózy, intersticiální fibrózy, arteriosklerózy a tubulární atrofie, které v konečném důsledku vede ke snížené renální plazmě (RPF) a glomerulární filtraci (GFR) [3,48]. Stárnoucí ledviny navíc vykazují zvýšenou zranitelnost vůči nepříznivým podmínkám, jako je oxidační stres, mediátory zánětu a fibrotické faktory [49,50].

Souhrnně mohou tyto strukturální a funkční změny ledvin související s věkem nevyhnutelně predisponovat ledviny k různým akutním nebo chronickým poruchám ledvin.

2.3. Dysfunkce ledvin související s věkem

Pro lepší pochopení procesu stárnutí, pro efektivní zásah do něj je zvláště důležité rozlišování rozdílu mezi přirozeným procesem stárnutí a věkem podmíněnou dysfunkcí [51]. Tento bod je vysoce relevantní pro různé nemoci související s věkem, ale je zvláště důležitý v souvislosti s onemocněním ledvin. Přestože stárnutí samo o sobě nezpůsobuje onemocnění ledvin, strukturální a funkční změny související s věkem mohou stárnoucí jedince predisponovat k různým onemocněním ledvin [7]. Například za nepříznivých podmínek, jako je ischemicko-reperfuzní poškození (IRI) a toxiny urážející nefrotoxicitu, mají starší lidé zvýšenou náchylnost k AKI [42,52]. Několik studií prokázalo, že incidence CKD u starších osob je 3–13krát vyšší než u mladších jedinců [53,54]. Kromě toho existují důkazy, že buněčná senescence se podílí na patogenezi diabetického onemocnění ledvin (DKD) a že hyperglykémie také přispívá k buněčnému stárnutí u DKD [55,56]. Ačkoli renální buněčná senescence je základní příčinou stárnutí parenchymálních glomerulárních nebo tubulárních buněk ubývání nebo úbytku, buněčné stárnutí nehraje vždy nepříznivou roli u všech renálních onemocnění. Například autozomálně dominantní polycystická choroba ledvin (ADPKD) je způsobena nekontrolovanou proliferací renálních tubulárních epiteliálních buněk a inhibitor CDK, roskovitin, by mohl zmírnit progresi ADPKD především podporou buněčné stárnutí [57,58]. V současné době, ačkoli byly charakteristické změny stárnoucích ledvin dobře popsány, si rozdíl mezi normálním stárnutím a onemocněním ledvin souvisejícím s věkem zaslouží další objasnění. Pochopení etiologie stárnutí ledvin a onemocnění ledvin souvisejících s věkem by mohlo umožnit racionální vývoj profylaktických intervencí a také nové cílené léčebné strategie pro renální dysfunkci. Výsledky současných studií naznačují, že epigenetické změny vyvolané různými etiologiemi (např. urémie, buněčné stárnutí, psychologie, životní styl a různé patogeny) mohou urychlit rozvoj onemocnění ledvin souvisejících s věkem (obrázek 2) [24]. Mezitím se stále více uznává, že epigenetické modifikace ve vývoji embryonálních a dospělých ledvin jsou vzájemně propojeny a dysregulace ovlivňuje onemocnění ledvin související s věkem [12]. Další porozumění regulaci epigenetické modifikace ve vývoji embryonálních a dospělých ledvin tedy zlepší naše porozumění molekulárním mechanismům onemocnění ledvin souvisejících s věkem a vyvine nové způsoby léčby těchto onemocnění.

Souhrnně z aktuálních studií můžeme vyvodit závěr, že navzdory velkému pokroku, kterého bylo dosaženo v chápání procesu stárnutí ledvin a souvisejícího poklesu renálních funkcí, zůstává patogeneze onemocnění ledvin souvisejících s věkem stále nezodpovězena a vyžaduje další zkoumání.

Obrázek 2. Epigenetická krajina zprostředkovává souhru mezi etiologiemi a věkem podmíněnými renálními dysfunkcemi. Exogenní i endogenní etiologie mohou vést ke změnám v epigenetické krajině, které ovlivňují stárnutí ledvin a fyziologii

3. Epigenetika a onemocnění ledvin související s věkem

V současné době nejsou mechanismy odpovědné za pokles funkce orgánů související s věkem plně pochopeny, ale stále více důkazů naznačuje, že epigenetické změny, především včetně aberantní metylace DNA, posttranslačních modifikací histonů a regulace pomocí ncRNA, hrají důležitou roli v různých lidské poruchy související s věkem, jako jsou neurodegenerativní [59], kardiovaskulární onemocnění [60] a degenerativní spinální stenóza [61] a také různá onemocnění ledvin [24,62]. V následujících částech shrneme současné poznatky o důsledcích epigenetiky u onemocnění ledvin souvisejících s věkem.

3.1. Methylace DNA u onemocnění ledvin souvisejících s věkem

Ačkoli kovalentní modifikace bází DNA byly popsány od roku 1948 Hotchkissem [63], až v roce 1969 Griffifith a Mahler navrhli, že tyto modifikace mohou zahrnovat modulaci genové exprese [64]. Zejména hlavní modifikací v eukaryotní DNA je 5-methylcytosin (5mC) [65], který se primárně vyskytuje na páté pozici pyrimidinového kruhu cytosinů. Methylace DNA, první identifikovaný epigenetický mechanismus, který se vyskytuje primárně na dinukleotidech cytosin-fosfát-guanin (CpG) v oblastech genového promotoru [66], se podílí na regulaci genové exprese prostřednictvím inhibice specifických transkripčních faktorů navazujících se na DNA nebo získávání mediátorů chromatinu. remodelace (např. enzymy modifikující histony) [67–70]. U savců jsou vzorce methylace DNA rutinně stanoveny a udržovány třemi DNA metyltransferázami (DNMT) [70,71] včetně DNMT1, DNMT3a a DNMT3b, zatímco demetylace DNA může být dosaženo pomocí enzymů TET (deset-jedenáct translokací). prostřednictvím přeměny 5mC na 5-hydroxymethylcytosin (5hmC) [72,73].

Dynamická regulace methylace a demetylace DNA je jedním z nejdůležitějších epigenetických regulačních mechanismů v eukaryotických buňkách, který dosud nebyl plně pochopen. Stále více důkazů prokázalo, že aberantní metylace DNA specifických míst CpG může sloužit jako citlivé biomarkery k identifikaci jedinců s rizikem onemocnění souvisejících s věkem [61,74]. Zejména onemocnění ledvin související s věkem, jako je CKD a ESRD, jsou hlavním problémem veřejného zdraví na celém světě kvůli jejich vysoké nemocnosti mezi stárnoucí populací. Několik studií dobře prozkoumalo souvislosti mezi vzorci metylace DNA a onemocněními ledvin souvisejícími s věkem [75–77]. Nedávná studie například zkoumala změny v metylaci DNA v celém genomu ve vzorcích renální biopsie získaných od 95 zdravých dárců ledvin ve věku od 16 do 73 let [11]. Analýza celogenomových změn v metylaci DNA (více než 800000 míst CpG) (FDR<0.05), corresponding to 10,285 differentially methylated regions. Interestingly, these regions were most frequently located in the Wnt/β-catenin signaling pathway-related genes including the dickkopf Wnt signaling inhibitors (DKK), several SOX transcription factors, Wnt inhibitory factor 1 (WIF1), secreted frizzled-related protein 2 (SFRP2), retinoic acid receptor alfa and beta (RARA and RARB), and so on. Hypermethylation in the promoter region of these Wnt signaling inhibitor genes may contribute to the activation of Wnt/β-catenin signaling in the aged kidney. Furthermore, Wnt/β-catenin signaling, a conserved signaling pathway in organ development, is kept silent in normal adult kidneys [78,79], which is reactivated predominately in tubular epithelial cells in a variety of CKD models [80]. Thus, hypermethylation of these Wnt signaling inhibitor genes induces activation of Wnt/β-catenin signaling, which may lead to aging-related renal changes by triggering tubular epithelial cell transition to mesenchymal or senescent phenotype and promoting renal fibrosis. This study clearly revealed a causal relationship between DNA hypermethylation and age-associated renal dysfunction [11], indicating that DNA methylation alterations could be a new class of potential non-invasive diagnostic and prognostic biomarkers for age-related kidney diseases. Moreover, numerous clinical observations and animal studies have demonstrated that DNA methylome alterations are implicit in the development and progression of CKD [81–84]. For example, an epigenome-wide association study (EWAS) was performed to investigate the genome-wide methylation profiles in whole blood samples from 4859 aging adults, which demonstrated that the epigenetic signatures were significantly associated with kidney function and CKD as well as with the clinical endpoint renal fibrosis [84]. In this study, the researchers identified 19 CpG sites associated with eGFR and CKD from whole blood samples, among which five CpG sites were associated with renal fibrosis and showed consistent and significant DNA methylation changes in renal cortical biopsy samples from CKD patients. The study revealed that eGFR-associated CpG sites were significantly enriched in regions bound to serval transcription factors including Early B-cell Factor1 (EBF1), E1A Binding Protein P300 (EP300), and CCAAT/enhancer-binding protein beta (CEBPB), highlighting the impact of epigenetic modifications on renal function. Moreover, previous studies have demonstrated that several targeted genes regulated by CEBPB, EBF1, and EP300 are essential for kidney development and function [85–88], suggesting that methylation alterations of CEBPB, EBF1, and EP300 target genes may block the regulation of CEBPB, EBF1, and EP300 on their target genes, leading to the development of CKD. Thus, CEBPB, EBF1, and EP300 may serve as promising candidates for future experimental studies to illuminate the underlying gene regulatory mechanisms linking differential DNA methylation to kidney function in health and disease. 

Navzdory několika celogenomovým asociačním studiím a epigenomovým asociačním studiím byly identifikovány významné změny v metylaci DNA se stárnutím a onemocněními ledvin souvisejícími s věkem, v současné době stále chybí přímé důkazy naznačující, že změny v konkrétních vzorcích genové exprese i genu -specifická metylace DNA ovlivňuje stárnutí ledvin [17,18]. Novější studie poskytla silný důkaz pro odhalení důležitých epigenetických rysů stárnutí ledvin [17]. Nedávno Gao a kolegové uvedli, že chronická injekce stárnutí vyvolaného D-galaktózou (D-gal) nebo přirozené stárnutí ledvin vedlo k významné inhibici exprese KLOTHO a faktoru proti stárnutí jaderného faktoru odvozeného od erytroidů 2-jako 2 (NRF2) , doprovázené zvýšenou expresí DNMT (subtypů DNMT1, DNMT3a a DNMT3b) a také hypermetylací promotoru genu NRF2 a KLOTHO [17]. Podání činidla demetylujícího DNA, SGI-1027 a OLP, účinně snížilo metylaci DNA promotoru NRF2 a KLOTHO a zmírnilo strukturální a funkční změny v myších ledvinách související se stárnutím vyvolané D-gal. Pozoruhodné je, že účinky SGI-1027 proti stárnutí ledvin u stárnoucích myší vyvolaných D-gal byly významně odstraněny umlčením KLOTHO in vivo. Z této studie můžeme usoudit, že dysregulace DNMT1/3a/3b významně přispívá k procesu stárnutí ledvin a epigenetická intervence s DNA-demetylačními činidly může zmírnit změny renálního stárnutí, což naznačuje, že změna určitých vzorců genové exprese a methylace genomové DNA skutečně mohou ovlivňují proces stárnutí ledvin. Vývoj terapeutických strategií zaměřených na zvrácení nepříznivých epigenetických změn souvisejících s věkem tak přispěje k vývoji nových terapeutických intervencí, které mohou oddálit nebo zmírnit stárnutí ledvin a poruchy ledvin související s věkem.

Ze současného výzkumu metylace DNA u onemocnění ledvin souvisejících s věkem (tabulka 1) můžeme dojít k závěru, že metylace DNA mohla mít kritické regulační funkce jak u normálního stárnutí ledvin, tak u onemocnění ledvin souvisejících s věkem. Nicméně současné studie zdaleka nestačí k objasnění molekulárních mechanismů, které jsou základem změn metylace DNA u onemocnění ledvin souvisejících s věkem. Navíc většina těchto výzkumů postrádá in vivo experimentální validaci. Proto jsou v budoucnu zapotřebí systematičtější studie zaměřené na změny metylace DNA u onemocnění ledvin souvisejících s věkem a klinické aplikace.

Tabulka 1. Methylace DNA vonemocnění ledvin související s věkem.