Епигенетични промени при прогресивна системна склероза



01/04/2015

Д-р Руска Шумналиева, д-р Росица Дачева, доц. д-р Симеон Монов, дм, проф. д-р Златимир Коларов, дмн, проф. д-р Рашо Рашков, дмн

Клиника по ревматология, Медицински Университет - София, rshumnalieva@yahoo.com

Епигенетичните механизми на регулация повлияват генната експресия на посттранскрипционно ниво. Нарушения в процесите на тяхната реализация водят до възникване и прогресия на редица заболявания, включително на прогресивна системна склероза (progressive systemic sclerosis - PSS).

Патогенетично болестта се характеризира с неконтролиран синтез на колаген и отлагането му в кожата и вътрешните органи. В последните години се натрупаха значителни доказателства за ролята на епигенетичните фактори в дисрегулацията на матриксната хомеостаза и фибробластната активация в хода на патологичния процес при PSS.

Прогресивната системна склероза е хронично, автоимунно, системно заболяване на съединителната тъкан с неясна етиология. Болестта е разпространена в целия свят, като засяга по-често жените в активна трудова възраст. Клинично се характеризира с васкулопатия, дифузна фиброза на кожата и вътрешните органи (1, 2).

Според начина на протичане се различават основно две форми на PSS:

- с ограничена кожна склероза - симетрично засягане на кожата, ограничено върху дисталните части на крайниците и лицето; бавна еволюция на кожните промени; късна поява на висцерално участие, включително на пулмонална и артериална хипертония, билиарна цироза; поява на телеангиектазии и подкожна калциноза (CREST синдром - калциноза на кожата, феномен на Raynaud, нарушения в мотилитета на хранопровода, склеродактилия и телеангиектазии).

- с дифузна кожна склероза - симетрично задебеляване на кожата, засягащо дистално и проксимално крайници, лице и тяло, с бърза прогресия на кожните промени; ранна поява на висцерално засягане (стомашночревен тракт, бял дроб, сърце, бъбреци) (3, 4, 5)

Най-характерните патоанатомични белези на болестта са облитеративната васкулопатия на малки артерии и артериоли, съчетана с интерстициална фиброза на таргетните органи.

Обсъждат се три главни патогенетични механизма при PSS:

- съдова увреда

- нарушения на имунната регулация, водещи до клетъчна активация и синтез на неспецифични и специфични автоантитела

- ексцесивен колагенов синтез, водещ до изразена фиброза на кожата и вътрешните органи

Приема се, че съдовата дисфункция е най-ранната изява и инициираща стъпка в патогенезата на PSS. Ендотелната увреда се дължи на синтез на провъзпалителни цитокини, продуцирани от активирани лимфоцити, както и наличието на антитела срещу ендотелните клетки (anti-endothelial cell antibodies - AECA).

Освен наличието на АЕСА, активираните В-лимфоцити синтезират редица автоантитела, като специфични за PSS са антителата срещу екстрахируемия нуклеарен антиген Scl-70 (анти-томоизомераза-1 антитела).

Т-клетъчното активиране води до синтез на лимфокини, които стимулират фибробластите за повишена колагенова продукция (5, 6). Те секретират цитокини и хемокини, които повишават експресията на адхезионни молекули, като междуклетъчна адхесионна молекула-1 (intracellular adhesion molecule-1 - ICAM-1) и продукцията на растежни фактори, като трансформиращия растежен фактор-бета (transforming growth factor beta - TGFћ) и съединително-тъканен растежен фактор (connective tissue growth factor - CTGF).

Приема се, че основна роля в патогенезата на PSS играе повишената продукция на колаген от кожните фибробласти. Налице е повишеното ниво на матрична, информационна рибонуклеинова киселина (matrix ribonucleic acid - mRNA) за колаген, с промени в съдържанието на дерматин и хондроитин-сулфат, както и на колаген I и III (6).

Процесът се индуцира от CTGF и TGFћ/Smad сигнални пътища. Като основен регулатор на TGFћ/Smad е описан сиртуин 1 (sirtuin 1 - SIRT1) деацетилазен протеин, член на сиртиуновото семейство протеини (7, 8).

TGFћ, освободен от активирани лимфоцити и моноцити, играе основна роля в процесите на фиброобразуване. При нормални условия фибробластите са отговорни за функционалната и структурна цялост на съединителната тъкан в паренхимните органи.

След активиране от TGFћ фибробластите пролиферират, мигрират, секретират растежни фактори и цитокини и се диференцират в миофибробласти. Този фибробластен отговор подпомага ефективното възстановяване при тъканна увреда.

При физиологични условия, процесът е самоограничаващ се, като завършва с възстановяване на увредената тъкан. При патологични условия, фибробластната активация персистира и води до повишено ремоделиране на екстрацелуларния матрикс (9, 10, 11).

Проучванията върху патогенезата на PSS 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 (12, 13).

Тези промени в наследствената информация се определят като епигенетични и включват онези фактори, които повлияват експресията на гените и функцията на техните крайни продукти, без да нарушават последователността на нуклеотидите от веригата на дезоксирибонуклеиновата киселина (deoxyribonucleic acid - DNA).

Основните механизми на епигенетична регулация са:

- DNA метилиране

- модификация на хистонови протеини

- синтез на микрорибонуклеинови киселини (14, 15)

DNA метилиране и PSS

DNA метилирането е процес на добавяне на метилова група към цитозиновите бази от молекулата на DNA под влияние на ензима DNA-метилтрансфераза-1 (DNA- methyltransferase-1 - DNMT-1).

DNA метилирането води до потискане на изявата на съответните гени (15). При PSS е доказано нарушено метилиране на гена за Friend-leukemia integrating factor (FLI1), отговорен за синтеза на регулаторен протеин, който потиска колагеновата продукция.

Промени в DNA метилирането на ген FLI1 в фибробластите довежда до тяхното активиране за неконтролируем колагенов синтез (13, 16, 17).

Mодификация на хистонови протеини и PSS

Освен структурна функция по отношение на молекулата на DNA, хистоновите протеини динамично регулират активността на редица гени. Това се осъществява чрез обратими биохимични промени в структурата им под влияние на хистон-модифициращи ензими.

Y. Wang и сътр. доказват промени в хистоновите протеини - глобално хиперацетилиране на H4 протеин и глобално хипометилиране на H3/K4/H3/K9, в В-клетките на болни от PSS и тяхната корелация с показателите на болестна активност и кожна склероза (15, 18).

J. Wei и сътр. описват антифибротичните ефекти на SIRT1 чрез намаляване на експресията и потискане на функцията на ацетилтрансфераза p300. При болни от PSS, авторите установяват намалена тъканна и клетъчна експресия на SIRT1, корелираща негативно с индекса за кожно засягане (7).

Синтез на микрорибонуклеинови киселини (microribonucleic acids - miRNAs, miRs) и PSS

Микрорибонуклеиновите киселини са нов клас, некодиращи, къси (19-25 нуклеотида) рибонуклеинови киселини (RNA), които регулират генната експресия на посттранскрипционно ниво и повлияват ключови цитокини и медиатори, участващи в ексцесивния колагенов синтез при PSS (15, 19, 20, 21).

Подробно изучаването на молекулите и сигналните трансдукционни пътища, които участват в процесите на фиброобразуване, биха могли да предложат нов подход в диагнозата и лечението на фиброзата (22, 23).

Установена е повишената експресия на профибротични miRNAs и/или понижена експресия на антифибротични miRNAs, регулиращи процесите на фиброобразуване при PSS (24).

Двете основни субгрупи на PSS - с дифузна кожна склероза и с ограничена кожна склероза, показват различна miRNA експресия. Идентифицирани са 42 miRNAs, при които се наблюдава промяна в експресията при дифузна PSS, и 60 miRNAs - при PSS с ограничено кожно засягане (23).

По-голямата част от тези miRNAs се регулират от TGFћ. Установено е участието на редица miRNAs в процесите на матриксното ремоделиране - miR-133, miR-141, miR-2001/b, miR-21, miR-590, miR-29a/b/c/, miR -377 и miR-449a/b могат директно да стимулират или да потиснат процесите на фиброобразуване чрез TGFћ/Smad сигнален път.

Изучаване на miR-132, miR-133 и miR-17-92 установява, че прицел на тяхното действие е CTGF, и те участват в моделирането на екстрацелуларния матрикс. miR-132, miR-15b, miR-16, miR-150, miR-27a, miR-27b, miR-335 и miR-34a индуцират миофибробластната пролиферация и резистентността към апоптоза. Съществуват съобщения, че miR-30а-3р участва в регулацията на B-лимфоцитния стимулатор при PSS (25, 26, 27).

Микрорибонуклеинова киселина-29 (miR-29) като основен регулатор на колагеновата продукция

Функционалното изследване на miR-29 при PSS установява, че тя има антифибротични свойства (28). miR-29 директно регулира синтеза на колаген тип I, III и IV, а от своя страна, miR-29 се регулира от PDGF и TGFћ чрез позитивна обратна връзка.

Това може да бъде причина за неконтролирано натрупване на екстрацелуларни матриксни протеини. Следователно, потискането на експресията на miR-29 е причина за активиране на процесите на фиброобразуване. miR-29 регулира негативно COL1A1, COL1A2, COL3A1, FBN1 и ELN1 генната експресия. Нивата на miR-29 са в обратна корелация с тежестта на фиброзата (29).

В. Maurer и сътр. идентифицират miR-29 като ключов регулатор на колагеновата експресия при PSS. При експерименти in vitro те установяват повишена експресия на miR-29 в кожни фибробласти на болни от PSS и предполагат, че miR-29 директно регулира колагеновата продукция. Авторите установяват, че IL-4, TGFћ, PFGF редуцират нивата на miR-29 в нормалните фибробласти до тези, установими при PSS. При миши модели с блеомицин-индуцирана кожна фиброза нивата на miR-29 са понижени, а потискането на PDGF и TGFћ чрез тирозин киназен инхибитор - иматиниб, води до възстановяване нивата на miR-29 in vitro (30).

L. Cushing и сътр., от друга страна, описват miR-29 като главен регулатор на гените отговорни за развитието на пулмоналната фиброза (31).

Известно е, че и много други microRNAs са потециални участници в патогенезата на PSS. Установена е повишена експресията на miR-21 в кожна тъкан и фибробласти, а стимулацията на клетките с TGFћ повишава eкспресията на miR-21. Допълнително е изследвана директната връзка между miR-21 и Smad7 и е доказано, че TGFћ индуцира експресията на miR-21, чиито директен таргет е Smad7. Това стимулира синтеза на TGF и води до усилена продукция на колаген от активираните кожните фибробласти. miR-21 участва и в миокардната увреда, като медиира развитието на белодробна фиброза. Това се осъществява чрез активиране на фибробластите за синтез на колаген в белите дробове (32, 33, 34).

Интерес представлява изолирането и изследването на miRNAs от косми и космени фоликули като биомаркери за болестна активност при PSS. R. Takemoto и сътр. установяват намалена експресия на miR-29 в косми при пациенти с PSS и изказват предположението, че miRNAs, изолирани от косми, могат да се използват като независим биомаркер за болестна активност, въпреки нивата им в серум и кожа (35).

Подобно изследване правят и Z. Wang и сътр., като доказват понижени нива на miR-196а в косми, независимо от серумните й нива, и предлагат използването на космите като лесно достъпни, ефективни биомаркери в клиничната и лабораторна практика (36).

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

Използвани източници:

1. Barnes J., Mayes M. Epidemiology of systemic sclerosis: incidence, prevalence, survival, risk factors, malignancy, and environmental triggers. Curr. Opin. Rheumatol. 2012; 24(2):165-170

2. Nikpour M., Stevens W., Herrick A. Epidemiology of systemic sclerosis. Clin. Rheumatol. 2010; 24(6): 857-869

3. Рашков Р., Шейтанов Й. Съвременни аспекти в лечението на системните заболявания на съединителната тъкан. Актуални проблеми в ревматология, ЦМБ 2006, 98-128

4. Шейтанов Й., Рашков Р. Системни заболявания на съединителната тъкан. ЦМБ 1999, София

5. Abraham D., Krieg Т., Distler J., Distler O. Overview of pathogenesis of systemic sclerosis. Rheumatology Oxford, 2009; 48, Suppl.3: iii3-7

6. Gabrielli A., Avvedimento E., Krieg T. Scleroderma. N Engl J Med 2009; 360: 1989-2003

7. Wei J., Ghosh A., Chu H. et al. Histone deacetylase SIRT1 is reduced in systemic sclerosis and abrogates fibrotic responses by targeting TGF-ћ signaling. Arthritis Rheumatol. 2015 [Epub ahead of print]

8. Zerr P., Palumbo-Zerr K., Huang J. et al. Sirt1 regulates canonical TGFћ signaling to control fibroblast activation and tissue fibrosis. Ann Rheum Dis 2014; doi:10.1136/annrheumdis-2014-205740

9. Honda N., Jinnin M., Kajihara I. et al. TGF-beta-mediated downregulation of microRNA-196a contributes to the constitutive upregulated type I collagen expression in scleroderma dermal fibroblasts. J Immunol 2012; 188: 3323-3331

10. Leask A., Abraham D. TGFћ signaling and the fibrotic response. The FASEB journal 2004; 18(7): 816-824

11. Takagawa S., Lakos G., Mori Y. et al. Sustained activation of fibroblast transforming growth factor-beta/Smad signaling in a murine model of scleroderma. J. Invest. Dermatol. 2003; 121(1): 41-50

12. Luo Y., Wang Y., Wang Q. et al. Systemic sclerosis: genetics and epigenetics. J Autoimmun. 2013; 41:161-167

13. Wang Y., Fan P., Kahaleh B. Association between enhanced type I collagen expression and epigenetic repression of the FLI1 gene in scleroderma fibroblasts. Arthritis Rheum. 2006; 54(7): 2271-2279

14. Шумналиева Р., Коларов З. Епигенетика в ревматологията. Ревматология 2011; 4:13-17

15. Gay S., Wilson A. The emerging role of epigenetics in rheumatic diseases. Rheumatology (Oxford) 2014; 53(3): 406-414

16. Kubo M., Czuwara-Ladykowska J., Moussa O. et al. Persistent down-regulation of Fli1, a suppressor of collagen transcription, in fibrotic scleroderma skin. Am. J. Pathol. 2003; 163(2): 571-581

17. Nakerakani S., Kapanadze B., Yamasaki M. et al. Fli1 and Ets1 have distinct roles in connective tissue growth factor/CCN2 gene regulation and induction of the profibrotic gene program. J. Biol. Chem. 2006; 281(35): 25259-25269

18. Wang Y., Yang Y., Luo Y. et al. Aberrant histone modification in peripheral blood B cells from patients with systemic sclerosis. Clin. Immunol. 2013; 149 (1): 46-54

19. Шумналиева Р., Коларов З., Рашков Р. МикроРНК - нови биомаркери при автоимунните ревматични заболявания. Ревматология 2011; 1:22-32

20. Pauley K., Chaa S., Chanb E. MicroRNA in autoimmunity and autoimmune diseases. J. Autoimmun. 2009; 32(3-4):189-194

21. Tili E., Michaille J., Costinean S., Croce C. MicroRNAs, the immune system and rheumatic disease. Nat. Clin. Pract. Rheumatol. 2008; 4(10):534-541

22. Zhu H., Luo H, Zuo X. MicroRNAs: their involvement in fibrosis pathogenesis and use as diagnostic biomarkers in scleroderma. Exp Mol. Med., 2013; 45(9):e41

23. Zhu H., Li Y, Qu S. et al. MicroRNA expression abnormalities in limited cutaneous scleroderma and diffuse cutaneous scleroderma. J Clin Immunol 2012; 32: 514-522

24. Steen S., Iversen O., Carlsen A. et al. The circulating cell-free microNRA profile in systemic sclerosis is distinct from both healthy controls and systemic lupus erythematosus. J. Rheumatol. 2015; 42(2): 214-221

25. Alsaleh G., Francois A., Philippe L. et al. MiR-30a-3p negatively regulates BAFF synthesis in systemic sclerosis and rheumatoid arthritis fibroblasts. PLoS One 2014; 9(10):e111266 doi: 10.1371/journal.pone.0111266

26. Kato M., Putta S., Wang M. et al. TGF-beta activates Akt kinase through a microRNA-dependent amplifying circuit targeting PTEN. Nat Cell Biol 2009; 11: 881-889

27. Li H., Yang R., Fan X. et al. MicroRNA array analysis of microRNAs related to systemic scleroderma. Rheumatol Int 2012; 32: 307-313

28. Kawashita Y., Jinnin M., Makino T. et al. Circulating miR-29a levels in patients with scleroderma spectrum disorder. J Dermatol Sci 2011; 61: 67-69

29. Kriegel A., Liu Y, Fang Y. et al. The miR-29 family: genomics, cell biology, and relevance to renal and cardiovascular injury. Physiol Genomics 2012; 44: 237-244

30. Maurer B., Stanczyk J., Juengel A. et al. MicroRNA-29, a key regulator of collagen expression in systemic sclerosis. Arthritis Rheum. 2010; 62(6):1733-1743

31. Cushing L., Kuang P., Qian J., et al. miR-29 is a major regulator of genes associated with pulmonary fibrosis. Am J Respir Cell Mol Biol 2011; 45: 287-294

32. Liu G., Friggeri A, Yang Y. et al. miR-21 mediates fibrogenic activation of pulmonary fibroblasts and lung fibrosis. J Exp Med 2010; 207: 1589-1597

33. Thum T., Gross C., Fiedler J. et al. MicroRNA-21 contributes to myocardial disease by stimulating MAP kinase signalling in fibroblasts. Nature 2008; 456: 980-984

34. Zhu H., Luo H., Li Y. et al. MicroRNA-21 in scleroderma fibrosis and its function in TGF-ћ regulated fibrosis-related gene expression. J Clin. Immunol. 2013; 33:1100-1109

35. Takemoto R., Jinnin M., Wang Z. et al. Hair miR-29a levels are decreased in patients with scleroderma. Exp Dermatology 2013; 22: 832-949

36. Wang Z., Jinnin M., Kudo H. et al. Detection of hair-microRNAs as a novel potential biomarker: evaluation of the usefulness for the diagnosis of scleroderma. J Dermatol. Science 2013; 72(2):134-141