О журнале

Журнал «Фармакогенетика и фармакогеномика» публикует оригинальные статьи о проведённых клинических, клинико-экспериментальных и фундаментальных научных работах, обзоры, лекции, описания клинических случаев, а также вспомогательные материалы по всем актуальным проблемам персонализированной медицины
Формакогенетика
Подробнее

Топ 10 за все время

Эпигенетика псориаза: молекулярные отметины судьбы
Пн, 11 Сен 2017
772
Эпигенетика псориаза: молекулярные отметины судьбы

В возникновении и течении псориаза причудливо переплетаются генетическая предрасположенность и влияния среды. Но мы до сих пор очень мало знали о том, как именно складываются воедино все предпосылки. Может, громко заявившей о себе науке эпигенетике удастся наконец выстроить полную цепь патологических событий? Предлагаем вспомнить основные механизмы, регулирующие «считывание» наследственной информации в зависимости от актуальных условий, и узнать, как меняется их настройка при псориазе. Поговорим о «черных метках», расставленных на хроматине больных, и миниатюрных РНК-убийцах, плавающих в их клетках в поисках своих молекулярных жертв. Псориаз Cпецпроект посвящен генетическому кожному заболеванию, от которого страдает около 1% россиян. В статьях спецпроекта мы стараемся подробно, достоверно и интересно осветить это заболевание со всех возможных сторон. В этом нам помогают наши рецензенты: специалист по псориазу, кандидат биологических наук Алёна Золотаренко и врач-дерматовенеролог, кандидат медицинских наук Михаил Бетехтин.

Читателям «биомолекулы» уже наверняка известно, что псориаз — это хроническое воспалительное иммуноопосредованное заболевание, поражающее кожу и иногда суставы [1]. Патогенез заболевания сложен: в нём нарушение дифференцировки кератиноцитов переплетается с неадекватными действиями врожденной и адаптивной систем иммунитета, и всё это замешано на генетической предрасположенности и множестве изменчивых факторов. В этом отношении псориаз очень напоминает аутоиммунные заболевания [2], [3]. Детальный разбор псориатических клеточно-молекулярных хитросплетений можно найти в материале «Псориаз: Т-хелперы, цитокины и молекулярные шрамы» [4], а современные представления о наследовании заболевания — в статье «Генетика псориаза: иммунитет, барьерная функция кожи и GWAS» [5]. Но раз псориаз относится к типичным мультифакторным заболеваниям, разобраться в причинах и механизмах его развития не так-то просто. И еще более загадочной на первый взгляд кажется его очевидная связь с другими хроническими состояниями: воспалительными заболеваниями кишечника, депрессией, сосудистыми патологиями, метаболическим синдромом и диабетом II типа [6].

Конкордантность монозиготных близнецов по этой патологии достигает 40–73%, дизиготных — в два—четыре раза ниже. Не удивительно, что крупномасштабные сравнения геномов страдающих псориазом людей/семей и здоровой популяции выявили ряд участков, связанных с развитием псориаза и псориатического артрита [5], [7]. Однако даже комбинированный эффект этих локусов полностью не объясняет характер наследования псориаза [8]. Нестопроцентная конкордантность и очевидное влияние множества внешних и внутренних переменных на развитие заболевания (рис. 1) не позволяют причислить его к сугубо генетическим недугам. В поисках «недостающей наследственности» биологи обратились к эпигенетике — науке, изучающей изменения экспрессии генов, не связанные с изменениями генома.

Рисунок 1. Возможная схема взаимодействия разных факторов в развитии псориаза. По традиции ассоциированные с псориазом участки хромосом называют локусами предрасположенности к псориазу (PSORS 1–15...), хотя в новейших работах речь обычно идет уже о конкретных генах. Распределение некоторых PSORS этнически неоднородно. Пунктиром показано, что факторы среды могут провоцировать мутагенез, то есть появление аллельных вариантов, предрасполагающих к псориазу. Среди последних обнаружены и однонуклеотидные полиморфизмы генов микроРНК — важного эпигенетического инструмента [5]. Кроме того, разные аллели могут по-разному подвергаться эпигенетическим модификациям, а полиморфизмы промоторов — менять работу транскрипционного аппарата. В патогенезе псориаза эпигенетические модификации (голубой прямоугольник) могут быть связующим звеном между генетической предрасположенностью, патологическим фенотипом и влиянием среды. АПФ — ангиотензинпревращающий фермент; НПВП — нестероидные противовоспалительные препараты. Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него. [2], [3], [6], [7], [12]

К сфере интересов эпигенетики относятся митотически или мейотически наследуемые изменения экспрессии генов, происходящие без изменения нуклеотидной последовательности ДНК. Такие изменения обусловлены либо ковалентными модификациями и укладкой хроматина (ДНК с гистонами), либо деятельностью малых РНК. На экспрессии генов могут сказаться и любые изменения белков, осуществляющих, регулирующих и интерпретирующих эпигенетические модификации. Эпигеном — это совокупность всех эпигенетических меток клетки. Изменившись однажды под действием факторов внешней или внутренней среды, он может наследоваться потомством соматической клетки после ее деления и даже сохраняться в череде поколений людей, если изменения произошли в половых клетках [9], [10].

Пластичность эпигенома и реализация генетической информации

ДНК в ядре находится в составе хроматина. Фундаментальная единица хроматина — нуклеосома, состоящая из восьми молекул кόровых белков-гистонов (по две копии белков четырех типов), вокруг которых накручена нить ДНК (147 пар нуклеотидов, примерно 1,7 оборота), особым образом закрепленная дополнительным, линкерным гистоном (рис. 2). И ДНК, и гистоны могут подвергаться как минимум 18 типам ковалентных модификаций [11]. Эти динамичные, обратимые процессы осуществляются ферментами, которые «помечают» компоненты хроматина, «считывают» метки либо их «стирают».

Хроматин в ядре многостадийно, компактно упакован, и плотность укладки его участков постоянно меняется не только в зависимости от фазы клеточного цикла, но и под действием разных факторов, в том числе меняющих хроматиновые метки. АТФ-зависимые комплексы, ремоделирующие хроматин, регулируют плотность расположения на ДНК и гистоновый состав нуклеосом — в зависимости от экспрессионных нужд они высвобождают определенные участки ДНК для контакта с транскрипционной машиной [12]. Конечно, многие нуклеосомы имеют постоянные «адреса». В целом, плотность нуклеосом в районе активных генов гораздо ниже, чем в нетранскрибируемых участках. Многоуровневая укладка хроматина позволяет взаимодействовать регуляторным элементам гена, существенно удаленным друг от друга на цепи ДНК.

Системы ремоделирования и мечения хроматина работают в тесной взаимосвязи. Это важно и в контексте развития болезней: изменение внутриклеточной сигнализации может менять экспрессию генов — с помощью разных инструментов эпигенетической канцелярии [13], — но при этом развитие патологической цепи событий может определяться генетическим полиморфизмом. Например, в эксперименте с лимфобластоидными клеточными линиями показали, что один генетический вариант может отвечать одновременно за изменение модификаций гистонов, положения нуклеосом и доступности ДНК для РНК-полимеразы [11].

Хоть эпигеном и пластичен, но организм может накапливать, сохранять пожизненно и даже передавать потомкам сформировавшиеся под влиянием разных факторов состояния хроматина — специфические паттерны активности генов. Это послужило основанием для возникновения термина «эпигенетическая память».

Эпигенетические процессы начали изучать относительно недавно, но практически сразу вскрылась их ключевая роль в развитии организма: в дифференцировке клеток (как из зиготы получается организм со множеством разных тканей и как одна и та же генетическая программа так по-разному в них реализуется?), инактивации X-хромосомы (почему у женщин, обладательниц двух Х-хромосом, не удваивается по сравнению с мужчинами уровень экспрессии Х-хромосомных генов?), геномном импринтинге (почему аллель по-разному экспрессируется в зависимости от того, кто из родителей его передал — отец или мать?) и т.д. Оказалось, что сотни эпигеномов определяют уникальные транскрипционные программы клеток в процессе нашего развития и старения [11]. Именно благодаря эпигенетическим дирижерам генетическая программа реализуется очень пластично и с учетом меняющихся условий среды. И этих же дирижеров — в случае их бунта — гораздо проще привести к порядку, чем отремонтировать «поломки» в первичной структуре ДНК: эпигенетические модификации фармакологически обратимы [14]. Собственно, существующий уровень знаний о некоторых патологиях уже позволяет переходить от лабораторных разработок к коммерческому производству лекарств для коррекции эпигенома [15].

Исследователи псориаза начали штурмовать эпигенетические высоты лишь в последние годы, существенно отстав от ученых-онкологов, в том числе и в масштабах работ. Какие же факты подтолкнули их к этому? Во-первых, свидетельства о предпочтительной передаче псориатического артрита с отцовской стороны и повышенном весе новорожденных, чьи отцы страдали псориазом [16]. Во-вторых, понимание того, что дифференцировка клеток и поддержание тканевого фенотипа — феномен эпигенетический, а именно с этим в псориатической коже большие проблемы [4]. Нарушенная дифференцировка и усиленная пролиферация кератиноцитов сопровождаются глобальными изменениями эпигенетического профиля и экспрессии генов [16]. В-третьих, обнаружение связи между терапевтическим эффектом антипсориатических средств и изменениями эпигенома, причем иногда это была не просто связь, а конкретное действие на тот или иной эпигенетический процесс [16–18].

К основным эпигенетическим процессам, связь которых с патогенезом псориаза удалось установить, относятся: метилирование ДНК, модификации (как минимум ацетилирование-деацетилирование) гистонов и работа микроРНК (рис. 2).

Рисунок 2. Инструменты настройки эпигенома, задействованные в развитии псориаза. Хромосома эукариот (длина во время митоза — 5–6 мкм) — это многократно компактизированный хроматин: молекула ДНК длиной около 2 м, намотанная на октамерные «бусины» — белки-гистоны. Определенные химические модификации гистонов (инактивирующие) и, как правило, метилирование цитозина ДНК «сковывают» хроматин: заставляют его конденсироваться, «выключая» экспрессию генов на этом участке — в первую очередь из-за невозможности взаимодействия транскрипционной машины с ДНК. Активирующие метки гистонов и деметилирование ДНК, наоборот, способствуют образованию «открытой» структуры хроматина и активации генов. Перераспределение меток, а значит, и изменение локальной плотности укладки хроматина происходят под влиянием внешних факторов, в процессе развития организма или болезней. Еще один инструмент регуляции экспрессии генов — микроРНК (миРНК), блокирующие трансляцию комплементарных мРНК-мишеней. рисунок автора статьи

Изменения метилома ДНК, ассоциированные с псориазом

Красный свет для транскрипционной машины: метилирование ДНК

Этот термин означает процесс ферментативного присоединения метильной группы к цитозину преимущественно в составе CpG-динуклеотидов (рис. 3). В зависимости от стадии онтогенеза у человека его осуществляют три типа ДНК-метилтрансфераз: DNMT1 (основной фермент поддержания паттерна метилирования в дифференцированной клетке), DNMT3a и DNMT3b.

Рисунок 3. Метилирование ДНК и сайленсинг генов. Метильные метки в промоторных областях могут подавлять экспрессию ряда генов, однако в норме большинство промоторных CpG-островков избегает метилирования. 5-метилцитозин далее может с помощью TET-диоксигеназ (первичных «ластиков» в процессе деметилирования) окисляться до 5-гидроксиметилцитозина, 5-формилцитозина и 5-карбоксицитозина, а может дезаминироваться до тимина, что уже есть самая настоящая мутация — транзиция. рисунок автора статьи

У человека 5-метилцитозин обнаруживают в 70–80% CpG-динуклеотидов, особенно в участках с их низкой плотностью. А вот в так называемых CpG-островках, где плотность этих динуклеотидов высока, наоборот, метилирование происходит реже. Эти островки встречаются в 60% промоторов, а значит, неметилированных промоторов больше. Зато высока степень метилирования «тел» активно транскрибируемых генов [11]. Метилирование промоторной области гена обычно подавляет его активность — вероятно, по двум причинам: сами метки могут мешать взаимодействию транскрипционного аппарата с промотором, но что еще важнее, они через посредников привлекают белки, «стирающие» ацетильные метки с гистонов, и прочих реорганизаторов хроматина, переводящих его в компактное, неактивное состояние. Метилирование «тела» гена иногда регулирует синтез тканеспецифичных альтернативных транскриптов и может даже повышать уровень экспрессии [19].

Метилирование ДНК играет важную роль в развитии и старении млекопитающих, инактивации второй Х-хромосомы, геномном импринтинге, репрессии мобильных генетических элементов и даже в формировании долговременной памяти [20]. Изменения метилома, то есть количества и расположения метильных меток на ДНК, могут сказаться на экспрессии генов и нарушить любой из этих процессов. Это часто выражается в развитии заболеваний, в том числе онкологических и аутоиммунных. При таких состояниях промоторы целого ряда генов гипометилированы, а некоторых других генов, наоборот, гиперметилированы. Гипометилирование промоторов протоонкогенов может вести к их активации, гиперметилирование генов опухолевых супрессоров — к «отключению» противораковой защиты [21]. В CD4+ T-клетках больных системной красной волчанкой выявляется глобальное гипометилирование вкупе со сниженным количеством ДНК-метилтрансфераз, в раковых клетках — глобальное гипометилирование с фокальным гиперметилированием [2].

Изучение метиломов, то есть глобальных профилей метилирования, ДНК — наиболее проработанное направление в эпигенетике псориаза. Еще совсем недавно биологи могли изучать лишь промоторные области конкретных генов, но быстрое развитие эпигенетических методов (в частности, основанных на секвенировании нового поколения) вывело исследования на уровень целых геномов [22].

Объектами одного из таких полногеномных исследований метилирования ДНК стали пары монозиготных близнецов, в которых один близнец страдал псориазом, а другой — нет. Оказалось, что у больных отличался профиль метилирования ДНК CD4+ Т-лимфоцитов, и локальные расхождения в метилировании сопровождались изменениями активности генов, ответственных за иммунные реакции, включая синтез цитокинов [8]. Похожие результаты получил и другой коллектив: в наивных CD4+ Т-клетках больных псориазом он обнаружил 26 крупных гипометилированных участков, которые характеризовались обилием гистоновых модификаций и мест связывания транскрипционных факторов. Однако промоторы 124 генов (121 из них локализован на Х-хромосоме, и многие связаны с иммунными функциями), наоборот, у больных были гиперметилированы. Авторы работы предположили, что подобные изменения могут сказываться на поляризации CD4+ Т-клеток, то есть создавать перевес в пользу той или иной лимфоцитарной «профессии» и этим провоцировать патологические иммунные события. Общее гиперметилирование было обнаружено в мононуклеарных клетках периферической крови (МКПК) и конкретно в CD4+ Т-клетках больных псориазом, причем в последнем случае избытком метильных меток отличались промоторы [18], [23].

В одном крупном исследовании сравнили метиломы ДНК поврежденной и неповрежденной кожи больных псориазом и кожи здоровых людей. Метилом поврежденной кожи отличался от «здорового» в 1108 CpG-сайтах. При этом 12 гипометилированных сайтов были локализованы в области комплекса эпидермальной дифференцировки (КЭД), перед генами, экспрессия которых повышена при псориазе, или прямо в них. Этот комплекс отвечает за конечную дифференцировку кератиноцитов и рассматривается в качестве потенциальной цели для эпигенетической коррекции псориаза и некоторых опухолей [24]. Один из гипометилированных генов КЭД — LCE3A — привлек внимание и других ученых, обнаруживших, что его экспрессия сильно повышена у больных псориазом индийцев, несущих известный аллель риска HLA-Cw6 одновременно с мутацией возле LCE3A [25]. За пределами КЭД, рядом с генами, экспрессия которых значительно меняется при псориазе, тоже обнаружили сайты с необычным характером метилирования (табл. 1). Однако ситуация, когда изменения метилирования сопровождаются нарушением экспрессии близлежащих генов, складывается при псориазе не всегда [26].

На это указывают и авторы другой работы, выявившей общее гипометилирование и 3665 конкретных CpG-сайтов, которые отличают эпидермальные клетки больных псориазом от клеток здоровых людей [27]. Интересно, что в этом исследовании CpG-сайты с измененным метилированием редко находили в составе промоторов, зато очень часто — в областях энхансеров. Это свидетельствует о тканеспецифичной модуляции работы транскрипционной машины при псориазе. В обеих работах отмечена частичная коррекция метильных профилей после месячного лечения ингибиторами TNF или фототерапии [18]. Однако вопрос о происхождении выявленных в псориатической коже метильных изменений остается нерешенным: они могут быть первичными и влечь за собой дальнейший каскад патологических событий, а могут возникать уже вследствие воспаления. Например, было показано, что активно продуцируемые при псориазе провоспалительные цитокины типа IL-6 могут индуцировать синтез метилтрансферазы DNMT1 [28]. И наоборот, деметилирование одного CpG-сайта в промоторе гена IL-2 через цепь событий активировало его транскрипцию и иммунный ответ в целом [26]. Но даже при своей вторичности уникальные наборы метильных меток могут служить прекрасными маркерами для постановки диагноза или оценки эффективности терапии псориаза.

Конечно, без некоторых противоречий в исследованиях не обходится. Если в одной работе показано, что среди отличных по метильным меткам сайтов в псориатической коже по сравнению со здоровой больше гипометилированных, то в другой, наоборот, наблюдали больше гиперметилированных. Аномально метилированные сайты чаще встречались в «теле» (и особенно интронах) генов, ответственных за иммунные реакции, клеточный цикл и апоптоз [29]. В другом исследовании обратили внимание на аномальное метилирование именно промоторов, но в мезенхимальных стволовых клетках дермы, которые, вероятно, тоже вовлечены в патогенез псориаза [30].

Конкретные гены, метилирование которых меняется при псориазе, собраны в таблице 1. Заметно, что изменениям в уровне метилирования часто подвергаются области, ответственные за регуляцию клеточного цикла.

Что касается изменений, которые претерпевает «метильная канцелярия», то в лимфоцитах и моноцитах больных псориазом показано повышение экспрессии гена DNMT1 и снижение экспрессии генов белков MECP2 и MBD2, содержащих метил-связывающий домен и выполняющих функции «считывателей» метильных меток, а возможно, и их «стирателей». В роли первых они часто репрессируют транскрипцию с метилированных промоторов, а в роли вторых могли бы высвобождать промоторы из метильных «уз» и позволять экспрессироваться ряду генов [23].

Модификации гистонов, ассоциированные с псориазом

Мерцающие экспрессионные маячки: модификации гистонов

Нуклеосома состоит из четырех пар гистонов, называемых кόровыми (образующими «ядро» нуклеосомы): двух димеров H2A-H2B и двух пар H3-H4, причем существуют разные варианты (подсемейства) этих гистонов. Все они способны подвергаться посттрансляционным модификациям, но с разной частотой. У любого гистона модификации чаще затрагивают «торчащие» N-концевые хвостики, заряженные положительно из-за большого количества оснόвных аминокислот — лизина и аргинина (рис. 4). Известно множество типов химических изменений гистонов: ацетилирование, фосфорилирование, метилирование, гликозилирование, убиквитинирование, сумоилирование, АДФ-рибозилирование, гидроксилирование, биотинирование и другие [12], [32].

 Рисунок 4. Модификации коровых гистонов (на примере N-концевого фрагмента гистона H4). В скобках указано влияние метки или ее удаления на транскрипцию — активация или репрессия. В случае лизина в положении 20 присоединение одной метильной группы активирует транскрипцию, а трех — подавляет. На рисунке представлены только ферменты, «наносящие» и «стирающие» метки. рисунок автора статьи

Раньше гистоны считали этакими статичными органайзерами ДНК — катушками для ее наматывания. Но оказалось, что нуклеосомы — структуры динамичные, а модификации их белков играют основополагающую роль в регуляции транскрипции генов, репликации и репарации ДНК, поскольку влияют на статус хроматина и работают стыковочными площадками для других белков: реорганизующих хроматин и активирующих транскрипцию, наносящих или считывающих хроматиновые метки (например, привлекают в нужное место ферменты для модификации новых гистонов в ходе репликации ДНК). В итоге гистоновые «маячки» регулируют протекание таких важных процессов, как клеточная дифференцировка и клеточный цикл.

В процессе жизни гистоновые метки формируют определенный «пейзаж», и регулируют (хотя и не всегда) экспрессию генов. Модификации могут влиять на взаимодействия гистонов с ДНК, гистонов с гистонами, нуклеосом друг с другом и всевозможными белками. Суммарно изменения H3 и H4 больше отражаются на активности генов. Транскрипция активируется или подавляется в зависимости от вида гистона, типа и положения изменяемой аминокислоты и даже в зависимости от количества присоединяемых к аминокислоте групп (рис. 4). Многообразие и многозначность комбинаций гистоновых меток породили понятие «гистоновый код», который расшифровывают сотни разнородных белков, содержащих PHD-, хромо- или BRD-домены, подстраивая соответствующим образом работу клеток [12].

 В плане влияния на статус хроматина и экспрессию генов наиболее изучено ацетилирование лизина. Оно осуществляется ферментами гистонацетилтрансферазами (HAT) и активирует транскрипцию на прилегающем участке хромосомы: ацетилирование нивелирует положительный заряд лизина, что ослабляет связь гистона с отрицательно заряженными фосфатными группами ДНК, в итоге гистоны освобождают место для посадки ядерных факторов, запускающих транскрипцию [2]. И наоборот: деацетилирование ферментами гистондеацетилазами (HDAC) обычно ведет к компактизации хроматина и сайленсингу генов. Нередко HDAC находят место работы по сигналу ферментов, считывающих метильные метки ДНК. А ацетильные метки заставляют лениться ДНК-метилазу. По всей видимости, разнородные эпигенетические инструменты действуют согласованно, но если гистоновые «карандаши» и «ластики» работают очень динамично, то метильный пейзаж ДНК куда более стабилен [33].

Многие бактерии и вирусы выработали стратегии манипулирования экспрессией хозяйских генов путем вмешательства в процессы модификации гистонов. Эти стратегии рассчитаны на изменение иммунных реакций хозяина в сторону облегчения инфицирования или выживаемости патогена [12]. Тот же механизм — изменение экспрессии генов воспаления из-за нарушения эпигенетического пейзажа — задействован в развитии ряда аутоиммунных заболеваний. Не удивительно, что их дебюту часто предшествует какая-либо инфекция. Свои варианты гистоновых модификаций характерны и для разных видов опухолей.

Роль модификаций гистонов в патогенезе псориаза вряд ли так же скромна, как список посвященных ей исследований. Определенно можно сказать лишь то, что в МКПК — моноцитах и лимфоцитах — больных псориазом заметно снижен уровень ацетилирования гистона H4, и это снижение отрицательно коррелирует с PASI, то есть чем меньше метильных меток на этом гистоне, тем активнее болезнь [14].

В пораженной псориазом и атопическим дерматитом коже замечали повышение продукции транскрипционного фактора Grainyhead-like 2 (GRHL2). GRHL2 ускоряет пролиферацию и нарушает дифференцировку кератиноцитов, подавляя транскрипцию генов упомянутого выше КЭД: он просто не дает гистоновым деметилазам освободить промоторы этих генов от репрессирующих метильных «оков» [34].

Что касается уровня экспрессии генов «ацетильных» ферментов — HAT и HDAC — при псориазе, то два коллектива показали увеличение количества мРНК деацетилазы HDAC1 в МКПК либо в пораженной коже. Повышение количества HDAC наблюдали в некоторых клетках больных ревматоидным артритом, патогенез которого имеет много общего с псориатическим. И хотя возрастание активности HDAC при псориазе так и не описали, предложили ее снижать ингибиторами гистоновых деацетилаз, изначально разработанными для противораковой терапии и обладающими антипролиферативным и противовоспалительным действием [35]. Однако небольшое исследование 2016 года поставило эту идею под сомнение: оно не выявило достоверных изменений ни в активности, ни в продукции HDAC I класса в МКПК и поврежденной коже больных псориазом [36].

Ну и наконец, в одном из исследований в МКПК больных псориазом наблюдали повышенную экспрессию генов метилтрансфераз SUV39H1 и EZH2 и пониженную — ацетилтрансфераз P300 и CBP (коактиваторов транскрипции ряда генов), а также деацетилазы SIRT1. Последняя подавляет размножение и стимулирует дифференцировку клеток (кератиноцитов в том числе), и, значит, снижение ее количества может вести к клеточной гиперпролиферации [14].

 Изменения профиля микроРНК, ассоциированные с псориазом

 Война miR-ов

 МикроРНК (миРНК, в номенклатуре обозначаются как miR + цифры) — обширный класс эволюционно консервативных малых (17–25 нуклеотидов) РНК, не кодирующих белки [37]. Сами они кодируются 1–3% генома млекопитающих, однако посредством РНК-интерференции регулируют экспрессию не менее трети всех матричных РНК (мРНК) [14]. После многоэтапного процессинга (рис. 5) этот молекулярный спецназ взаимодействует по принципу комплементарности чаще всего с 3’-нетранслируемой областью своих мишеней — мРНК, — уничтожая их или блокируя трансляцию (матричный синтез белков). И даже если количество соответствующих белков снижается не катастрофически, то экспрессионный «шум», связанный с внутренними причинами, подавляется значительно [38]. Есть сведения и о взаимодействии миРНК с ДНК — в ходе ее метилирования. Иногда миРНК способствуют модификации гистонов и метилированию промоторов, а при специфических условиях... даже стимулируют трансляцию [39].

О существовании миРНК узнали лишь на исходе предыдущего столетия, а сейчас в публичных базах данных насчитывается более 2500 этих молекул [40]. Активно накапливаются сведения об их участии в нормальных и патологических биопроцессах: в регуляции клеточного цикла и дифференцировки клеток, в эмбриональном развитии и развитии аутоиммунных, воспалительных и онкологических заболеваний [41], в формировании памяти.

Рисунок 5. Биогенез и функции микроРНК (миРНК). Транскрипция генов миРНК приводит к формированию относительно длинной (сотни нуклеотидов) первичной миРНК, которая затем нарезается комплексом белков Drosha и DGCR8 (DiGeorge Syndrome Critical Region 8, или просто Pasha, partner of Drosha, — у беспозвоночных) на 1–6 примерно 70-нуклеотидных предшественников миРНК. Избегают встречи с «Дрошей и Пашей» лишь миртроны — миРНК, кодирующиеся интронами: их предшественники просто вырезаются при сплайсинге, хотя есть сведения, что микропроцессорный комплекс добирается до их первичного транскрипта раньше. Затем пре-миРНК, имеющие вид шпилек, экспортируются из ядра, и Dicer-содержащий комплекс оставляет от шпильки только ножку — нестабильный РНК-дуплекс — и способствует его загрузке в RISC — мультибелковый комплекс, куда входит и сам Dicer. Ведущую роль в нём играет белок аргонавт (Argonaute), правильно ориентирующий одну из нитей миРНК («направляющую») для распознавания комплементарной мРНК-мишени и самолично разрезающий последнюю. В некоторых случаях он мишень не уничтожает, но привлекает факторы, блокирующие трансляцию. «Направляющую» миРНК Argonaute и (иногда) специфические нуклеотидные «довески» защищают от деградации — тем дольше, чем с большим числом мишеней она способна «слипаться». Другая нить, «пассажирская», быстро разрушается. Все процессы крайне динамичны, чтобы обеспечить изменчивые экспрессионные нужды клетки. Источник: сайт www.nature.com, рисунок адаптирован

Как мы уже выяснили в предыдущих статьях спецпроекта, в патогенезе псориаза задействованы кератиноциты, иммунные клетки и химические медиаторы воспаления. Так вот, обнаружены признаки причастности миРНК к управлению всеми этими патогенетическими звеньями: миРНК регулируют активацию и выживание Т-клеток, дифференцировку и пролиферацию кератиноцитов, их ответ на цитокиновые сигналы. Неоднократно показано, что экспрессионные профили миРНК псориатической кожи кардинально отличаются от профилей кожи здоровой.

Несмотря на то, что уже насчитали более 250 миРНК, аберрантно экспрессирующихся при псориазе, не для всех из них удалось найти «кожные» мишени и описать их возможную связь с заболеванием. Различия миРНК-профилей наиболее значительны в случае сравнения периферической крови и пораженной кожи больных псориазом и здоровых людей, в то время как в исследованиях разницы профилей пораженной и непораженной кожи одних и тех же пациентов воспроизводимость результатов крайне низка. Да и в целом работ, посвященных изучению роли миРНК в развитии псориаза, пока не достаточно для формулировки окончательных выводов — это новое направление, для которого еще не стандартизирован дизайн экспериментов, методы получения материала и его анализа. Но уже сейчас очевидно, что изучение некоторых миРНК может принести интересные плоды сразу в нескольких плоскостях (табл. 2).

  1. МикроРНК могут регулировать экспрессию генов в клетках кожи и иммунной системы, вмешиваясь тем самым в работу их сигнальных систем, что причисляет эти малые РНК к возможным патогенетическим инструментам. Более того, генетический полиморфизм самих миРНК либо их мишеней из локусов PSORS может олицетворять «недостающую наследственность», связывающую генетическую предрасположенность к псориазу с фенотипом болезни, ведь замены нуклеотидов могут уничтожать, модифицировать либо порождать сайты взаимодействия миРНК с их мишенями. 

В тканях больных псориазом уровни многих миРНК могут как повышаться, так и снижаться относительно показателей здоровой популяции (табл. 2). Необычный профиль этих молекул в коже может смещать баланс между пролиферацией и дифференцировкой кератиноцитов, а также вызывать колебания уровня различных цитокинов, что ведет к привлечению и активации иммунных клеток и стойкому воспалению либо же, наоборот, к подавлению синтеза провоспалительных цитокинов и снижению напряженности иммунных реакций в коже (как в случае miR-203 и miR-138) [41]. 

Что касается конкретных сигнальных схем, в которых задействованы «псориатические» миРНК, то здесь пока непочатый край для исследований. Но кое-что уже известно: некоторые миРНК (например, miR-21 и miR-31) косвенно активируют транскрипционные факторы NF-kB или STAT3, что выливается в стремление клеток эпидермиса неуемно делиться [5]. Возможные сигнальные схемы для miR-21 и miR-31 предложены в работе [41]. Очень часто миРНК модулируют активность пути одного из основных провоспалительных цитокинов — фактора некроза опухоли, TNF: чаще повышают ее, но иногда и снижают (miR-203, miR-125b). Вовлеченность микроРНК в схемы TNF-сигнализации подтверждается изменениями продукции десятков типов миРНК в ответ на терапию ингибиторами TNF типа этанерцепта или адалимумаба [40], [41]. 

  1. МикроРНК могут служить прекрасными маркерами для диагностики, оценки активности заболевания и эффективности терапии. По сравнению с мРНК, миРНК менее подвержены деградации, поскольку лишены поли(А)-хвоста, а значит лучше сохраняются в биоматериале. Оценивать уровни маркерных миРНК можно в образцах крови (не исключено, что и других жидкостей), волос и кожи. В качестве предполагаемых маркеров псориаза рассматривают повышенные уровни в крови следующих молекул: miR-143, miR-146а, miR-223 и miR-369-3р (прямая корреляция с интенсивностью заболевания — баллами PASI); miR-1266 (обратная корреляция с PASI); miR-33 (прямая корреляция с уровнем инсулина и рассчитанной инсулинорезистентностью); miR-424. Сывороточные уровни ряда миРНК разнонаправленно меняются после лечения проявлений псориаза метотрексатом, этанерцептом и фототерапией [40–42]. 

Чтобы действительно продвинуться в понимании как патогенетической, так и диагностической ролей миРНК в псориазе, необходимо преодолеть следующие проблемы: малочисленность экспериментальных выборок, концентрацию внимания исключительно на вульгарном псориазе и тенденцию к поиску ассоциаций без углубления в механизмы [40].

 Вполне возможно, что каким-то специфичным для псориаза и патогенетически значимым миРНК суждено стать мишенями для местной или системной терапии. По крайней мере на мышах уже был продемонстрирован положительный эффект от блокирования miR-21 [43]. По сравнению с другими эпигенетическими механизмами, миРНК работают более целенаправленно, поэтому и ориентированное на них терапевтическое воздействие будет более избирательным [44].

 

Изменится ли что-то в обозримом будущем? 

Вероятно, да. И как ни странно, огромную помощь страдающим псориазом могут оказать не только врачи и ученые, но и обычные, здоровые люди. Дело в том, что эпигенетический профиль варьирует от индивидуума к индивидууму и в зависимости от типа клеток и их функционального состояния. Поэтому ученым нужно собрать огромную коллекцию эпигеномов: не только патологических, но и референсных — чтобы статистически достоверно установить, что и когда «нормально», а что — нет. International Human Epigenome Consortium (IHEC) задался целью в течение 10 лет создать карты более 1000 референсных эпигеномов. Входящие в консорциум организации уже составили полногеномные карты метильных меток ДНК, модификаций гистонов, мест связывания транскрипционных факторов и активности хроматина минимум для 200 типов клеток. Быстрое развитие биоинформатических подходов и эпигенетических техник способствует быстрому накоплению данных, и, вероятно, уже в ближайшем будущем станет понятно, как же переплетаются генетические, эпигенетические и средовые влияния в процессе развития многофакторных заболеваний [46]. А тогда уж и рукой подать до создания эффективных диагностических и терапевтических инструментов. При этом не исключено, что с лучшей стороны себя покажут и уже зарегистрированные для других целей средства. Однако существующим и перспективным подходам к лечению псориаза будет посвящена следующая статья нашего цикла. 

И еще. Как мы выяснили, псориаз ассоциируется с рядом генетических и эпигенетических особенностей. И те, и другие можно получить «в наследство». Ничьей вины в этом нет. Мутации возникают по множеству причин и без них тоже — просто любые биологические процессы, включая репликацию и репарацию, не совершенны. Ну а эпигеном... И сам человек, и его родители, и их родители приобретали свой уникальный опыт, адаптировались к своей нише, что нашло отражение в определенном эпигенетическом профиле. Но ведь он не статичен. Препараты, уничтожающие некоторые псориатические «черные метки» уже применяют, но ученые бьются над созданием более таргетированных, а значит, эффективных и безопасных средств. Более того, эпигенетический пейзаж меняется под влиянием множества факторов, включая пищевые [15]. А вдруг в наших силах добавить в него жизнерадостные цвета — даже без эпигенетических пилюль? За эту идею всерьез ухватились... продвинутые психотерапевты, полагая, что выработка у пациента нового, позитивного мировоззрения поможет изменить и профиль экспрессии генов, связанных со стрессоустойчивостью, то есть в итоге скорректировать неадекватный ответ на напряжение [33]. Визиты к психотерапевту для многих больных псориазом и иными хроническими недугами стали необходимостью. Кто знает, может, на этих сеансах исподволь подлечивается и наш эпигеном? Вдруг да и удастся — нет, не совсем с псориазом распрощаться, — но хотя бы связь обострений с психологическими стрессами разорвать?..

 Литература

  1. Псориаз: на войне с собственной кожей;
  2. Javierre B.M., Hernando H., Ballestar E. (2011). Environmental triggers and epigenetic deregulation in autoimmune disease. Discov. Med. 12 (67), 535–545;
  3. Ayala-Fontánez N., Soler D.C., McCormick T.S. (2016). Current knowledge on psoriasis and autoimmune diseases. Psoriasis: Targets and Therapy. 6, 7–32;
  4. Псориаз: Т-хелперы, цитокины и молекулярные шрамы;
  5. Генетика псориаза: иммунитет, барьерная функция кожи и GWAS;
  6. Handbook of psoriasis and psoriatic arthritis / Eds: Warren R., Menter A. Switzerland: Springer International Publishing, 2016;
  7. Jamie L. Harden, James G. Krueger, Anne M. Bowcock. (2015). The immunogenetics of Psoriasis: A comprehensive review. Journal of Autoimmunity. 64, 66-73;
  8. Kristina Gervin, Magnus D. Vigeland, Morten Mattingsdal, Martin Hammerø, Heidi Nygård, et. al.. (2012). DNA Methylation and Gene Expression Changes in Monozygotic Twins Discordant for Psoriasis: Identification of Epigenetically Dysregulated Genes. PLoS Genet. 8, e1002454;
  9. Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших генах?;
  10. Эпигенетика: невидимый командир генома;
  11. Yan H., Tian S., Slager S.L., Sun Z., Ordog T. (2016). Genome-wide epigenetic studies in human disease: A primer on -omic technologies. Am. J. Epidemiol. 183 (2), 96–109;
  12. Xu Y.Z., Kanagaratham C., Radzioch D. Chromatin remodelling during host-bacterial pathogen interaction / In: Chromatin Remodelling. InTech, 2013. — 234 p.;
  13. Anna Portela, Manel Esteller. (2010). Epigenetic modifications and human disease. Nat Biotechnol. 28, 1057-1068;
  14. Zhang P., Su Y., Lu Q. (2012). Epigenetics and psoriasis. J. Eur. Acad. Dermatol. Venereol. 26 (4), 399–403;
  15. Пилюли для эпигенома;
  16. Johann E. Gudjonsson, Gerald Krueger. (2012). A Role for Epigenetics in Psoriasis: Methylated Cytosine–Guanine Sites Differentiate Lesional from Nonlesional Skin and from Normal Skin. Journal of Investigative Dermatology. 132, 506-508;
  17. Jason E. Hawkes, Giang Huong Nguyen, Mayumi Fujita, Scott R. Florell, Kristina Callis Duffin, et. al.. (2016). microRNAs in Psoriasis. Journal of Investigative Dermatology. 136, 365-371;
  18. Darren D. O’Rielly, Proton Rahman. (2015). Genetic, Epigenetic and Pharmacogenetic Aspects of Psoriasis and Psoriatic Arthritis. Rheumatic Disease Clinics of North America. 41, 623-642;
  19. Alika K. Maunakea, Raman P. Nagarajan, Mikhail Bilenky, Tracy J. Ballinger, Cletus D’Souza, et. al.. (2010). Conserved role of intragenic DNA methylation in regulating alternative promoters. Nature. 466, 253-257;
  20. Courtney A. Miller, J. David Sweatt. (2007). Covalent Modification of DNA Regulates Memory Formation. Neuron. 53, 857-869;
  21. Эпигеном: параллельная реальность внутри клетки;
  22. Jeffrey B. Cheng, Raymond J. Cho. (2012). Genetics and Epigenetics of the Skin Meet Deep Sequence. Journal of Investigative Dermatology. 132, 923-932;
  23. Aditi Chandra, Aditi Ray, Swapan Senapati, Raghunath Chatterjee. (2015). Genetic and epigenetic basis of psoriasis pathogenesis. Molecular Immunology. 64, 313-323;
  24. Abhishek S. and Palamadai Krishnan S. (2016). Epidermal differentiation complex: a review on its epigenetic regulation and potential drug targets. Cell J. 18 (1), 1–6;
  25. Chandra A., Lahiri A., Senapati S., Basu B., Ghosh S., Mukhopadhyay I. et al. (2016). Increased risk of psoriasis due to combined effect of HLA-Cw6 and LCE3 risk alleles in Indian population. Sci. Rep. 6, 24059;
  26. Elisha D.O. Roberson, Ying Liu, Caitriona Ryan, Cailin E. Joyce, Shenghui Duan, et. al.. (2012). A Subset of Methylated CpG Sites Differentiate Psoriatic from Normal Skin. Journal of Investigative Dermatology. 132, 583-592;
  27. Xiaolian Gu, Elisabet Nylander, Philip J. Coates, Robin Fahraeus, Karin Nylander. (2015). Correlation between Reversal of DNA Methylation and Clinical Symptoms in Psoriatic Epidermis Following Narrow-Band UVB Phototherapy. Journal of Investigative Dermatology. 135, 2077-2083;
  28. Johann E. Gudjonsson, Gerald Krueger. (2012). A Role for Epigenetics in Psoriasis: Methylated Cytosine–Guanine Sites Differentiate Lesional from Nonlesional Skin and from Normal Skin. Journal of Investigative Dermatology. 132, 506-508;
  29. Peng Zhang, Ming Zhao, Gongping Liang, Guangliang Yin, Dan Huang, et. al.. (2013). Whole-genome DNA methylation in skin lesions from patients with psoriasis vulgaris. Journal of Autoimmunity. 41, 17-24;
  30. Ruixia Hou, Guohua Yin, Peng An, Chunfang Wang, Ruifeng Liu, et. al.. (2013). DNA methylation of dermal MSCs in psoriasis: Identification of epigenetically dysregulated genes. Journal of Dermatological Science. 72, 103-109;
  31. Zong W., Ge Y., Han Y., Yang X., Li Q., Chen M. (2016). Hypomethylation of HLA-DRB1 and its clinical significance in psoriasis. Oncotarget. 8, 12323–12332;
  32. Histone modification table. Сайт Cell Signaling Technology;
  33. Haley Peckham. (2013). Epigenetics: The Dogma-defying Discovery That Genes Learn From Experience. IJNPT. 1, 9-20;
  34. W Chen, Z Xiao Liu, J-E Oh, K-H Shin, R H Kim, et. al.. (2012). Grainyhead-like 2 (GRHL2) inhibits keratinocyte differentiation through epigenetic mechanism. Cell Death Dis. 3, e450;
  35. Fiona McLaughlin, Nicholas Thangue. (2004). Histone Deacetylase Inhibitors in Psoriasis Therapy. CDTIA. 3, 213-219;
  36. K. Ekman, C. Enerbäck. (2016). Lack of preclinical support for the efficacy of histone deacetylase inhibitors in the treatment of psoriasis. Br J Dermatol. 174, 424-426;
  37. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
  38. МикроРНК уменьшают шум экспрессии генов;
  39. микроРНК — чем дальше в лес, тем больше дров;
  40. Jason E. Hawkes, Giang Huong Nguyen, Mayumi Fujita, Scott R. Florell, Kristina Callis Duffin, et. al.. (2016). microRNAs in Psoriasis. Journal of Investigative Dermatology. 136, 365-371;
  41. Run-Yue Huang, Li Li, Mao-Jie Wang, Xiu-Min Chen, Qing-Chun Huang, Chuan-Jian Lu. (2015). An Exploration of the Role of MicroRNAs in Psoriasis. Medicine. 94, e2030;
  42. Marianne B. Løvendorf, John R. Zibert, Mette Gyldenløve, Mads A. Røpke, Lone Skov. (2014). MicroRNA-223 and miR-143 are important systemic biomarkers for disease activity in psoriasis. Journal of Dermatological Science. 75, 133-139;
  43. Guinea-Viniegra, M. Jimenez, H. B. Schonthaler, R. Navarro, Y. Delgado, et. al.. (2014). Targeting miR-21 to Treat Psoriasis. Science Translational Medicine. 6, 225re1-225re1;
  44. George WM Millington. (2008). Epigenetics and dermatological disease. Pharmacogenomics. 9, 1835-1850;
  45. S. Schaefer, D. Montufar-Solis, N. Vigneswaran, J. R. Klein. (2011). Selective Upregulation of microRNA Expression in Peripheral Blood Leukocytes in IL-10-/- Mice Precedes Expression in the Colon. The Journal of Immunology. 187, 5834-5841;
  46. Yan H., Tian S., Slager S.L., Sun Z., Ordog T. (2016). Genome-wide epigenetic studies in human disease: A primer on -omic technologies. J. Epidemiol. 183 (2), 96–109....

Источник: biomolecula.ru 

 

Похожие статьи

Наши проекты

  • banner4
    banner5
    banner6
  • banner1 1
    banner2
    banner3