Epigenetyka chorób neurodegeneracyjnych

Przystrzałkowy MRI głowy u pacjenta z łagodną rodzinną makrocefalią.

Choroby neurodegeneracyjne to heterogenna grupa złożonych zaburzeń powiązanych ze sobą degeneracją neuronów w obwodowym lub ośrodkowym układzie nerwowym . Ich podstawowe przyczyny są niezwykle zmienne i skomplikowane przez różne czynniki genetyczne i/lub środowiskowe. Choroby te powodują postępującą degradację neuronu, powodując zmniejszenie transdukcji sygnału , aw niektórych przypadkach nawet śmierć neuronów. Choroby obwodowego układu nerwowego można dalej klasyfikować według typu komórek nerwowych ( ruchowych , czuciowych lub obu), na które wpływa zaburzenie. Skutecznemu leczeniu tych chorób często uniemożliwia brak zrozumienia podstawowej patologii molekularnej i genetycznej. Terapia epigenetyczna jest badana jako metoda korygowania poziomów ekspresji źle regulowanych genów w chorobach neurodegeneracyjnych.

Choroby neurodegeneracyjne neuronów ruchowych mogą powodować degenerację neuronów ruchowych zaangażowanych w dobrowolną kontrolę mięśni, taką jak skurcze i rozkurcze mięśni. Ten artykuł obejmie epigenetykę i leczenie stwardnienia zanikowego bocznego (ALS) i rdzeniowego zaniku mięśni (SMA). neuronu ruchowego można znaleźć w arkuszu informacyjnym dotyczącym neuronu ruchowego. Choroby neurodegeneracyjne ośrodkowego układu nerwowego mogą wpływać na mózg i/lub rdzeń kręgowy . W tym artykule omówimy epigenetykę i leczenie choroby Alzheimera (AD), choroby Huntingtona (HD) i choroby Parkinsona (PD). Choroby te charakteryzują się przewlekłymi i postępującymi dysfunkcjami neuronów, czasami prowadzącymi do zaburzeń zachowania (jak w przypadku choroby Parkinsona), a ostatecznie do śmierci neuronów, co prowadzi do demencji .

Choroby neurodegeneracyjne neuronów czuciowych mogą powodować degenerację neuronów czuciowych zaangażowanych w przekazywanie informacji czuciowych, takich jak słuch i wzrok . Główną grupą chorób neuronów czuciowych są dziedziczne neuropatie czuciowe i autonomiczne (HSAN), takie jak HSAN I , HSAN II i Charcot-Marie-Tooth Type 2B (CMT2B). Chociaż niektóre choroby neuronów czuciowych są uznawane za neurodegeneracyjne, czynniki epigenetyczne nie zostały jeszcze wyjaśnione w patologii molekularnej.

Epigenetyka i leki epigenetyczne

Jądro ludzkiej komórki pokazujące lokalizację euchromatyny

Termin epigenetyka odnosi się do trzech poziomów regulacji genów: (1) metylacji DNA , (2) modyfikacji histonów i (3) funkcji niekodującego RNA (ncRNA). Krótko mówiąc, kontrola transkrypcji za pośrednictwem histonów zachodzi przez owinięcie DNA wokół histonowego . Ta struktura histonu DNA nazywana jest nukleosomem ; im ściślej DNA jest związane przez nukleosom i im mocniej łańcuch nukleosomów jest ściśnięty między sobą, tym większy jest represyjny wpływ na transkrypcję genów w sekwencjach DNA w pobliżu lub owiniętych wokół histonów i odwrotnie (tj. luźniejsze wiązanie DNA i rozluźnione zagęszczenie prowadzi do stanu porównywalnie derepresji, co skutkuje fakultatywną heterochromatyną lub, jeszcze bardziej derepresją, euchromatyną ). W swoim najbardziej represyjnym stanie, obejmującym wiele fałd w siebie i inne białka rusztowania, struktury histonów DNA tworzą konstytutywną heterochromatynę. W tej strukturze chromatyny pośredniczą te trzy poziomy regulacji genów. Najbardziej istotne modyfikacje epigenetyczne w leczeniu chorób neurodegeneracyjnych to metylacja DNA i modyfikacje białek histonowych poprzez metylację lub acetylację.

U ssaków metylacja zachodzi na DNA i białkach histonowych. Metylacja DNA zachodzi na cytozynie dinukleotydów CpG w sekwencji genomowej, a metylacja białek na końcach aminowych rdzeniowych białek histonowych – najczęściej na resztach lizyny. CpG odnosi się do dinukleotydu złożonego z deoksynukleotydu cytozyny bezpośrednio przylegającego do deoksynukleotydu guaniny. Klaster dinukleotydów CpG zgrupowanych razem nazywa się wyspą CpG , a u ssaków te wyspy CpG są jedną z głównych klas promotorów genów, na których lub wokół których mogą wiązać się czynniki transkrypcyjne i może rozpocząć się transkrypcja. Metylacja dinukleotydów i/lub wysp CpG w promotorach genów jest związana z represją transkrypcji poprzez interferencję czynnika transkrypcyjnego i rekrutację represorów transkrypcji z domenami wiążącymi metyl. Metylacja regionów wewnątrzgenowych jest związana ze zwiększoną transkrypcją. Grupa enzymów odpowiedzialnych za dodawanie grup metylowych do DNA to metylotransferazy DNA (DNMT). Enzymy odpowiedzialne za usuwanie grup metylowych to demetylazy DNA. Efekty metylacji histonów są zależne od reszty (np. który aminokwas jest metylowany, którego ogon histonu jest metylowany), dlatego wynikająca z tego aktywność transkrypcyjna i regulacja chromatyny mogą być różne. Enzymy odpowiedzialne za dodawanie grup metylowych do histonów nazywane są metylotransferazami histonowymi (HMT). Enzymami odpowiedzialnymi za usuwanie grup metylowych z histonów są demetylazy histonowe .
Acetylacja zachodzi na resztach lizyny znajdujących się na N-końcu aminowym ogonów histonowych. Acetylacja histonów jest najczęściej związana ze zrelaksowaną chromatyną, derepresją transkrypcji, a zatem z aktywnie transkrybowanymi genami. Acetylotransferazy histonowe (HAT) to enzymy odpowiedzialne za dodawanie grup acetylowych, a deacetylazy histonowe (HDAC) to enzymy odpowiedzialne za usuwanie grup acetylowych. Dlatego dodanie lub usunięcie grupy acetylowej z histonu może zmienić ekspresję pobliskich genów. Większość badanych leków to inhibitory białek usuwających acetyl z histonów lub deacetylazy histonowe (HDAC).
W skrócie, ncRNA są zaangażowane w kaskady sygnalizacyjne z epigenetycznymi enzymami znakującymi, takimi jak HMT i / lub z maszynerią interferencji RNA (RNAi). Często te kaskady sygnalizacyjne skutkują represją epigenetyczną (na przykład patrz inaktywacja chromosomu X ), chociaż są pewne przypadki, w których jest odwrotnie. Na przykład BACE1-AS jest zwiększona u pacjentów z chorobą Alzheimera i skutkuje zwiększoną stabilnością BACE1 - prekursora mRNA enzymu biorącego udział w chorobie Alzheimera.

Leki epigenetyczne celują w białka odpowiedzialne za modyfikacje DNA lub histonów. Obecne leki epigenetyczne obejmują między innymi: inhibitory HDAC (HDACi), modulatory HAT, inhibitory metylotransferazy DNA i inhibitory demetylazy histonów. Większość leków epigenetycznych przetestowanych pod kątem stosowania przeciwko chorobom neurodegeneracyjnym to inhibitory HDAC; jednak przetestowano również niektóre inhibitory DNMT. Podczas gdy większość terapii lekami epigenetycznymi przeprowadzono na modelach mysich, niektóre eksperymenty przeprowadzono na komórkach ludzkich, a także w badaniach leków na ludziach (patrz tabela poniżej). Istnieje nieodłączne ryzyko związane ze stosowaniem leków epigenetycznych jako terapii zaburzeń neurodegeneracyjnych, ponieważ niektóre leki epigenetyczne (np. HDAC, takie jak maślan sodu ) są niespecyficzne w stosunku do swoich celów, co pozostawia potencjalne ślady epigenetyczne poza celem, powodujące niepożądane modyfikacje epigenetyczne.

**Leki epigenetyczne**
Funkcjonować	Klasyfikacja	Lek	ALS	OGŁOSZENIE	Jakość HD	PD	SMA
Inhibitor metylacji DNA	chemiczny analog cytydyny	Azatiopryna		M (ny)		M (ny)
Inhibitor HDAC ( małocząsteczkowy )	benzamid	M344					MC 19
	kwas tłuszczowy	Maślan sodu		M (y) 5, 6, 7 ; H (ny)	D (y) 11	M (y) 14 ; R(y) 15 ; D (y) 16, 18 ; H (ny)	MC20 ; _ M (y) 21 ; H (ny)
		Fenylomaślan sodu	M (y) 1 ; H (y) 2	M (y) 8 ; H (ny)	H (ys) 12		MC20 ; _ H (v) 21, 22
		Kwas walproinowy	M (y) 2 ; H (ni) 3	M (y) 9 ; H (ny)	D (y) 11	R(y) 17 ; H (ny)	MC 23, 24 ; M (y) 25 ; H (v) 26, 27, 28, 29
	kwas hydroksamowy	Trichostatyna A	M (y) 4 ; H (ny)	M (y) 10 ; H (ny)	MC 13 ; D (y) 11		M (y) 30, 31 ; H (ny)
	kwas hydroksamowy	Worinostat ( kwas suberanilohydroksamowy -SAHA)		M (y) 9 ; H (ny)	MC 13 ; D (y) 11	D (y) 18	MC 32, 33 ; M (y) 34 ; H (ny)

Choroba: stwardnienie zanikowe boczne (ALS), choroba Alzheimera (AD), choroba Huntingtona (HD), rdzeniowy zanik mięśni (SMA), choroba Parkinsona (PD)

Testowane na: myszach (M), wyłącznie komórkach mysich (MC), ludziach ( H), Drosophila (D), szczur (R)

Skuteczne leczenie: tak (y), tak, ale ze skutkami ubocznymi (ys), jeszcze nie (ny), zmienna (v), brak poprawy (ni) Piśmiennictwo: wymienione

według kolumn (choroba) i w porządku rosnącym (leki)

ALS : (1) (2) (3) (4)

AD : (5) (6) (7) (8) (9) (10)

HD : (11) (12) (13)

PD : (14) (15) (16) (17) (18)

SMA : (19) (20) (21) (22) (23) (24) (25) (26) ( 27) (28) (29) (30) (31) (32) (33) (34)

Choroby neurodegeneracyjne neuronów ruchowych

Stwardnienie zanikowe boczne (ALS)

Stwardnienie zanikowe boczne (ALS), znane również jako choroba Lou Gehriga, jest chorobą neuronu ruchowego, która obejmuje neurogenerację. Wszystkie mięśnie szkieletowe w ciele są kontrolowane przez neurony ruchowe, które przekazują sygnały z mózgu do mięśni poprzez połączenie nerwowo-mięśniowe . Kiedy neurony ruchowe ulegają degeneracji, mięśnie nie otrzymują już sygnałów z mózgu i zaczynają zanikać. ALS charakteryzuje się sztywnością mięśni, drganiem mięśni i postępującym osłabieniem mięśni spowodowanym zanikiem mięśni. Części ciała dotknięte wczesnymi objawami ALS zależą od tego, które neurony ruchowe w ciele są uszkodzone jako pierwsze, zazwyczaj kończyny. W miarę postępu choroby większość pacjentów nie jest w stanie chodzić ani używać rąk iw końcu pojawiają się trudności z mówieniem, połykaniem i oddychaniem. Większość pacjentów zachowuje funkcje poznawcze, a neurony czuciowe są na ogół nienaruszone. Chorzy są często diagnozowani po 40 roku życia, a średni czas przeżycia od zachorowania do zgonu wynosi około 3–4 lat. W końcowej fazie pacjenci mogą utracić dobrowolną kontrolę nad mięśniami oka i często umierają z powodu niewydolności oddechowej lub zapalenia płuc w wyniku degeneracji neuronów ruchowych i mięśni niezbędnych do oddychania. Obecnie nie ma lekarstwa na ALS, a jedynie terapie, które mogą przedłużyć życie.

Genetyka i przyczyny

Do tej pory wiele genów i białek było zaangażowanych w ALS. Jednym z wspólnych motywów wielu z tych genów i ich mutacji sprawczych jest obecność agregatów białkowych w neuronach ruchowych. Inne wspólne cechy molekularne u pacjentów z ALS to zmieniony metabolizm RNA i ogólna hipoacetylacja histonów.

Chromosom 21

SOD1: Gen SOD1 na chromosomie 21 , który koduje białko dysmutazy ponadtlenkowej, jest związany z 2% przypadków i uważa się, że jest przekazywany w sposób autosomalny dominujący . U pacjentów z ALS udokumentowano wiele różnych mutacji w SOD1 o różnym stopniu zaawansowania. Białko SOD1 odpowiada za niszczenie naturalnie występujących, ale szkodliwych rodników ponadtlenkowych wytwarzanych przez mitochondria . Większość mutacji SOD1 związanych z ALS to mutacje polegające na wzmocnieniu funkcji, w których białko zachowuje swoją aktywność enzymatyczną, ale gromadzi się w neuronach ruchowych, powodując toksyczność. Normalne białko SOD jest również zaangażowane w inne przypadki ALS z powodu potencjalnego stresu komórkowego. Opracowano mysi model ALS poprzez mutacje zyskujące funkcję w SOD1.
c9orf72 Stwierdzono: , że gen o nazwie c9orf72 ma powtórzenie heksanukleotydowe w niekodującym regionie genu w połączeniu z ALS i ALS-FTD. Te powtórzenia heksanukleotydów mogą występować w 40% przypadków rodzinnego ALS i 10% przypadków sporadycznych. C9orf72 prawdopodobnie działa jako czynnik wymiany guaniny dla małej GTPazy , ale prawdopodobnie nie jest to związane z podstawową przyczyną ALS. Powtórzenia heksanukleotydowe prawdopodobnie powodują toksyczność komórkową po ich wycięciu z transkryptów mRNA c9orf72 i gromadzeniu się w jądrach dotkniętych komórek.
UBQLN2: Gen UBQLN2 koduje białko ubiquilin 2, które jest odpowiedzialne za kontrolę degradacji ubikwitynowanych białek w komórce. Mutacje w UBQLN2 zakłócają degradację białek, powodując neurodegenerację poprzez nieprawidłową agregację białek. Ta postać ALS jest sprzężona z chromosomem X i dziedziczona w sposób dominujący, a także może być związana z demencją .

Leczenie epigenetyczne inhibitorami HDAC

Pacjenci z ALS i modele myszy wykazują ogólną hipoacetylację histonów, która może ostatecznie wywołać apoptozę komórek. W eksperymentach na myszach inhibitory HDAC przeciwdziałają tej hipoacetylacji, reaktywują nieprawidłowo obniżone geny i przeciwdziałają inicjacji apoptozy. Ponadto wiadomo, że inhibitory HDAC zapobiegają agregacji białka SOD1 in vitro.

Fenylomaślan sodu Leczenie: fenylomaślanem sodu w mysim modelu SOD1 ALS wykazało poprawę sprawności motorycznej i koordynacji, zmniejszenie zaniku i utraty neuronów oraz zwiększony przyrost masy ciała. Zniesione zostało również uwalnianie czynników proapoptotycznych, jak również ogólny wzrost acetylacji histonów. Próba na ludziach z zastosowaniem fenylomaślanu u pacjentów z ALS wykazała pewien wzrost acetylacji histonów, ale badanie nie wykazało, czy objawy ALS poprawiły się po leczeniu.
Valproic scid: Kwas walproinowy w badaniach na myszach przywrócił poziomy acetylacji histonów, zwiększył poziomy czynników sprzyjających przeżyciu, a myszy wykazały lepszą sprawność motoryczną. Jednakże, chociaż lek opóźniał wystąpienie ALS, nie wydłużał życia ani nie zapobiegał odnerwieniu . Próby kwasu walproinowego na ludziach u pacjentów z ALS nie poprawiły przeżycia ani nie spowolniły postępu.
Trichostatyna A Próby: trichostatyny A na mysich modelach ALS przywróciły acetylację histonów w neuronach rdzenia kręgowego, zmniejszyły demielinizację aksonów i zwiększyły przeżywalność myszy.

Rdzeniowy Zanik Mięśni (SMA)

Neurony ruchowe alfa pochodzą z płytki podstawnej (blaszki podstawnej).

Rdzeniowy zanik mięśni (SMA) jest autosomalną recesywną chorobą neuronu ruchowego spowodowaną mutacjami w genie SMN1 . Objawy różnią się znacznie w zależności od podgrupy SMA i stadium choroby. Ogólne objawy obejmują ogólne osłabienie mięśni i słabe napięcie mięśni, w tym kończyn i mięśni oddechowych, co prowadzi do trudności w chodzeniu, oddychaniu i karmieniu. W zależności od typu SMA choroba może objawiać się od niemowlęctwa do dorosłości. Ponieważ białko SMN ogólnie promuje przeżycie neuronów ruchowych, mutacje w SMN1 powodują powolną degenerację neuronów ruchowych, prowadząc do postępującego ogólnoustrojowego zaniku mięśni. Konkretnie, z czasem obniżony poziom białka SMN powoduje stopniową śmierć neuronów ruchowych alfa w przednim rogu rdzenia kręgowego i mózgu. Mięśnie zależą od połączeń z neuronami ruchowymi i ośrodkowym układem nerwowym w celu stymulowania utrzymania mięśni, a zatem degeneracja neuronów ruchowych, a następnie odnerwienie mięśni prowadzi do utraty kontroli nad mięśniami i zaniku mięśni. Mięśnie kończyn dolnych są często zajęte najpierw, a następnie kończyny górne, a czasami mięśnie oddechowe i żucia. Ogólnie rzecz biorąc, proksymalny mięsień jest zawsze bardziej dotknięty niż dystalny.

Przyczyna genetyczna

Rdzeniowy zanik mięśni jest powiązany z mutacjami genetycznymi w genie SMN1 (ang. Survival of Motor Neuron 1). Białko SMN jest szeroko eksprymowane w neuronach i pełni wiele funkcji w neuronach, w tym budowę spliceosomu , transport aksonów mRNA, wzrost neurytów podczas rozwoju i tworzenie połączeń nerwowo-mięśniowych . Przyczynowa utrata funkcji w SMA jest obecnie nieznana.

SMN1 znajduje się w regionie telomerowym ludzkiego chromosomu 5 , a także zawiera SMN2 w regionie centromerowym . SMN1 i SMN2 są prawie identyczne, z wyjątkiem pojedynczej zmiany nukleotydu w SMN2 skutkującej alternatywnym miejscem splicingu, w którym intron 6 styka się z eksonem 8. Ta zmiana pojedynczej pary zasad prowadzi tylko do 10-20% transkryptów SMN2, co skutkuje w pełni funkcjonalnym białkiem SMN i 80 -90% transkryptów prowadzących do skróconego białka, które ulega szybkiej degradacji. Większość pacjentów z SMA ma 2 lub więcej kopii genu SMN2, przy czym więcej kopii skutkuje zmniejszeniem ciężkości choroby. Większość pacjentów z SMA ma albo mutacje punktowe , albo delecję w eksonie 7, co często prowadzi do produktu białkowego podobnego do skróconej i zdegradowanej wersji białka SMN2. U pacjentów z SMA ta niewielka ilość funkcjonalnego produktu białkowego SMN2 pozwala niektórym neuronom przetrwać.

Leczenie epigenetyczne poprzez aktywację genu SMN2

Chociaż SMA nie jest spowodowane przez mechanizm epigenetyczny, leki ukierunkowane na znaczniki epigenetyczne mogą przynieść pacjentom z SMA pewną ulgę, zatrzymać lub nawet odwrócić postęp choroby. Ponieważ pacjenci z SMA z większą liczbą kopii genu SMN2 mają mniej poważne objawy, naukowcy przewidzieli, że leki epigenetyczne zwiększające ekspresję mRNA SMN2 zwiększą ilość funkcjonalnego białka SMN w neuronach, prowadząc do zmniejszenia objawów SMA. Inhibitory deacetylazy histonowej (HDAC) są głównymi związkami, które zostały przetestowane pod kątem zwiększania ekspresji mRNA SMN2. Hamowanie HDAC pozwoliłoby na hiperacetylację loci genu SMN2, co teoretycznie prowadziłoby do wzrostu ekspresji SMN2. Wiele z tych inhibitorów HDAC (HDACi) jest najpierw testowanych na mysich modelach SMA powstałych w wyniku różnych mutacji w mysim genie SMN1. Jeśli myszy wykazują poprawę, a lek nie powoduje zbyt wielu skutków ubocznych lub toksyczności, lek można zastosować w badaniach klinicznych na ludziach. Badania na ludziach ze wszystkimi poniższymi inhibitorami HDAC są niezwykle zmienne i często zależą od dokładnego podtypu SMA pacjenta.

Quisinostat (JNJ-26481585): Quisinostat jest skuteczny w niskich dawkach, co skutkuje pewną poprawą funkcji nerwowo-mięśniowej w mysim modelu SMA, ale przeżycie nie zostało zwiększone. Nie przeprowadzono żadnych badań na ludziach.
Maślan sodu: Maślan sodu był pierwszym inhibitorem HDAC testowanym na mysich modelach SMA. Przedłużyło to życie myszy z SMA o 35% i wykazało zwiększone poziomy białka SMN w tkance rdzenia kręgowego. Jednak do tej pory maślan sodu nie był stosowany w badaniach na ludziach.
Fenylomaślan sodu: Fenylomaślan sodu zwiększa transkrypty mRNA SMN2 pełnej długości w hodowli komórkowej, ale podanie leku musi być powtarzane w celu utrzymania wyników. Badania na ludziach wykazują mieszane wyniki, z jednym badaniem wykazującym podwyższony poziom transkryptu SMA we krwi i poprawę funkcji motorycznych, ale większe badanie nie wykazało wpływu na postęp choroby lub funkcje motoryczne.
Kwas walproinowy: Kwas walproinowy dodany do komórek pacjentów z SMA zwiększył poziom mRNA i białka SMN2 oraz że lek bezpośrednio aktywuje promotor SMN2. W mysim modelu SMA kwas walproinowy dodano do wody pitnej i przywrócono gęstość neuronów ruchowych oraz zwiększoną liczbę neuronów ruchowych w okresie 8 miesięcy. Próby na ludziach są niezwykle zmienne, wykazując podwyższone poziomy SMN2 i zwiększoną siłę mięśni w niektórych próbach i całkowity brak efektów w innych próbach.
M344: M344 to benzamid, który wykazuje obiecujące wyniki w hodowli komórek fibroblastów i zwiększa poziom czynników splicingowych, o których wiadomo, że modulują transkrypty SMN2, ale lek uznano za toksyczny, a badania nie posunęły się do testów in vivo.
Trichostatyna A Leczenie: trichostatyną A daje obiecujące wyniki u myszy. W jednym badaniu trichostatyna A w połączeniu z dodatkowym pożywieniem w modelach SMA myszy o wczesnym początku skutkowała poprawą funkcji motorycznych i przeżycia oraz opóźniała postępujące odnerwienie mięśni. Drugie badanie na mysim modelu SMA wykazało zwiększoną ilość transkryptów SMN2 przy codziennych wstrzyknięciach. Nie przeprowadzono żadnych badań na ludziach.
Worinostat (SAHA): Worinostat jest inhibitorem drugiej generacji, który jest dość nietoksyczny i okazał się skuteczny w hodowli komórkowej w niskich stężeniach oraz zwiększa acetylację histonów w promotorze SMN2. W mysim modelu SMA leczenie SAHA spowodowało przyrost masy ciała, zwiększenie poziomu transkryptów SMN2 w mięśniach i rdzeniu kręgowym oraz zahamowanie utraty i odnerwienia neuronów ruchowych. Nie przeprowadzono żadnych badań na ludziach.

Myasthenia Gravis

Myasthenia gravis jest chorobą autoimmunologiczną atakującą synapsy połączeń nerwowo-mięśniowych, w której przeciwciała wytwarzane głównie w grasicy przez komórki B wiążą się z postsynaptycznymi nikotynowymi receptorami acetylocholiny (AChR), wraz z innymi postsynaptycznymi receptorami NMJ (MuSK-R i nisko- receptor lipoprotein gęstości). Te przeciwciała obejmują przeciwciała receptora acetylocholiny, przeciwciała MuSK i przeciwciała przeciwko białku 4 związane z receptorem lipoprotein o małej gęstości (LRP4-Ab). Wiązanie się przeciwciał z ich odpowiednimi receptorami powoduje zniszczenie tych receptorów, co prowadzi do zmniejszenia liczby postsynaptycznych receptorów acetylocholinergicznych i zmniejszenia ogólnego transportu acetylocholiny. Objawy choroby obejmują osłabienie mięśni, które męczy się z powodu nadużywania, ale poprawia się wraz z odpoczynkiem. Charakterystyczne objawy spowodowane osłabieniem mięśni obejmują opadanie powiek, podwójne widzenie, dysfagię, a także nieprawidłową mowę.

Myasthenia gravis jest stosunkowo rzadką chorobą, występującą u około 3-30 osób na 100 000, ale jej liczba wzrasta w ciągu ostatnich kilku dekad. Istnieją dwie odmiany myasthenia gravis w zależności od wieku i płci: myasthenia gravis o wczesnym początku, która występuje częściej u kobiet, oraz myasthenia gravis o późnym początku, która występuje częściej u mężczyzn.

Czynniki epigenetyczne

Przeprowadzono szeroko zakrojone badania nad genetycznym podłożem myasthenia gravis, jednak dowody nie sugerują, że jest to choroba dziedziczna. Prowadzono również szeroko zakrojone badania nad wkładem epigenetycznym w myasthenia gravis. Metylacja DNA i niekodujące RNA, takie jak miRNA (mikro RNA) i długie niekodujące RNA (lncRNA), są czynnikami epigenetycznymi, które odgrywają znaczącą rolę w zwiększaniu prawdopodobieństwa nabycia myasthenia gravis. Ponadto grasica jest kluczowym narządem w odpowiedzi immunologicznej, na którą często negatywnie wpływa nieprawidłowa ekspresja miRNA i metylacja DNA.

miRNA

Mikro RNA (miRNA) to jednoniciowe niekodujące RNA, które wiążą swoje docelowe mRNA. Stamtąd mogą regulować ekspresję genów poprzez hamowanie translacji lub degradację nici mRNA, często w komórkach B i komórkach T procesu immunologicznego. W odniesieniu do myasthenia gravis nieprawidłowa funkcja miRNA jest związana z patogenezą immunoregulacyjną, a każdy miRNA ma swoje własne unikalne efekty w dół.

Grasica jest ważnym narządem endokrynologicznym biorącym udział w myasthenia gravis. W normalnym, zdrowym rozwoju grasica zmniejsza się z czasem. U osób z myasthenia gravis związaną z grasicą istnieją korelacje z grasiczakami w miastenii o późnym początku, jak również przerostem grasicy z ośrodkami rozrodczymi w miastenii o wczesnym początku, a każdy z tych stanów można częściowo przypisać nieregularnej funkcji miRNA. U pacjentów z miastenią o późnym początku wykazano, że ekspresja miRNA-12a-5p była zwiększona w miastenii związanej z grasiczakiem. MiRNA-12a-5p hamuje ekspresję genu FoxP3, genu, o którym wiadomo, że jest związany z prawidłowym rozwojem grasicy i którego zmiany przypisuje się grasiczakom. Ponadto stwierdzono związek między myasthenia gravis związaną z grasiczakiem a zmniejszoną ekspresją miR-376a/miR-376c. Wiadomo, że regulacja autoimmunologiczna jest obniżona w miastenii związanej z grasiczakiem, aw komórkach grasicy z obniżoną regulacją autoimmunologiczną wystąpiła równoczesna regulacja w dół ekspresji miR-376a, miR-376c i miRNA-12a-5p. U pacjentów z miastenią o wczesnym początku stwierdzono, że 61 miRNA było albo znacząco obniżonych, albo podwyższonych. Stwierdzono, że najbardziej obniżonym miRNA jest miR-7-5p, którego docelowym genem jest CCL21. Wiadomo, że CCL21 nieprawidłowo rekrutuje komórki B w grasicy pacjentów z miastenią o wczesnym początku i stwierdzono, że jest silnie wyrażany u pacjentów z miastenią o wczesnym początku, potencjalnie wyjaśniając nienormalnie duże ilości komórek B występujące w przerost grasicy.

Oprócz miRNA odpowiadających zmienionej funkcji grasicy, istnieje kilka innych kluczowych miRNA, które są skorelowane z myasthenia gravis. Wykazano, że klaster miR-15 (miR-15a, miR-15b i miR-15c) jest związany z autoimmunizacją, ponieważ jego obniżenie zwiększa ekspresję CXCL10, docelowego genu zaangażowanego w sygnalizację komórek T. Wykazano również, że ekspresja CXCL10 jest zwiększona w grasicy pacjentów z myasthenia gravis. Ponadto stwierdzono, że miR-146 jest regulowany w górę u pacjentów z myasthenia gravis. U tych pacjentów z podwyższonym poziomem miR-146 nastąpił równoczesny wzrost białek, które odpowiadają szerokiej gamie odpowiedzi immunologicznych, w szczególności TLR4, CD40 i CD80.

Metylacja DNA

Metylacja DNA to proces epigenetyczny, w którym grupy metylowe są dodawane do zasad adeniny lub cytozyny, co skutkuje represją tej sekwencji, gdy zachodzi metylacja cytozyny. Stwierdzono, że metylacja DNA jest czynnikiem zwiększającym prawdopodobieństwo nabycia myasthenia gravis, chociaż temat ten nie był szeroko badany. Badania przeprowadzone w Chinach wykazały, że gen CTLA-4 (cytotoksyczny antygen limfocytów T-4) jest silnie metylowany u pacjentów z myasthenia gravis w porównaniu z grupami kontrolnymi przez cały okres trwania choroby. Gen CTLA-4 wytwarza antygen o tej samej nazwie, który jest prezentowany na zabójczych komórkach T i umożliwia tłumienie odpowiedzi immunologicznej. Metylacja tego genu hamuje wytwarzanie antygenu CTLA-4 — wzór obserwowany u znacznej większości pacjentów z myasthenia gravis — i może wyjaśniać podwyższoną odpowiedź immunologiczną obserwowaną w myasthenia gravis. Ponadto pacjenci z myasthenia gravis z nieprawidłowościami grasicy (około 10-20% wszystkich pacjentów z myasthenia gravis) mieli nawet wyższy poziom metylacji CTLA-4 niż inni pacjenci z myasthenia gravis. Nie jest szeroko badane, dlaczego niektóre geny są w tych przypadkach hipermetylowane, ale informacje na temat myasthenia gravis w dużej mierze wskazują na podwyższenie poziomu genów metylotransferazy DNA DNMT1, DNMT3A i DNMT3B u pacjentów z myasthenia gravis.

Oprócz metylacji CTLA-4, hipermetylację genu receptora wydzielania hormonu wzrostu obserwowano u pacjentów z miastenią o późnym początku związaną z grasiczakiem. Hipermetylacja receptora wydzielającego hormon wzrostu jest wykrywana w wielu różnych nowotworach, jednak dopiero niedawno została skorelowana z rozwojem miastenii związanej z grasiczakiem. Chociaż obserwuje się go u około 1/4 pacjentów z myasthenia gravis związaną z grasiczakiem, nie jest to wiarygodny biomarker choroby, a jego znaczenie dla progresji choroby nie jest dobrze znane.

Długie ncRNA

Długie ncRNA (lncRNA) to drugi rodzaj niekodujących RNA, które są kluczowymi potranskrypcyjnymi modyfikatorami ekspresji genów kodujących białka. Odgrywają one również znaczącą rolę w myasthenia gravis. Ich nieprawidłowa regulacja może powodować zróżnicowaną ekspresję w dalszych genach. Na przykład zróżnicowana ekspresja antysensownego RNA interferonu gamma lncRNA negatywnie reguluje ekspresję HLA-DRB i HLA-DOB, dwóch genów zaangażowanych w odpowiedź autoimmunologiczną organizmu poprzez różnicowanie białek endogennych i obcych. Jak widać u pacjentów z myasthenia gravis z obniżonym poziomem letalnego (let)-7 lncRNA, stwierdzono również, że poziom let-7 lncRNA był ujemnie skorelowany z poziomem interleukiny (IL)-10, genu odpowiedzialnego za hamowanie wydzielania/aktywacji cytokin , prezentacji antygenu i aktywności makrofagów, ale także do wykazywania działania przeciwnowotworowego. Dlatego ujemna korelacja między poziomami let-7 lncRNA i IL-10 i jej specyficzny wpływ na rozwój myasthenia gravis jest niejednoznaczna.

Oprócz nieprawidłowej regulacji dalszych genów docelowych, lncRNA wpływa również na ekspresję, działając jako konkurujący endogenny RNA (ceRNA). Teoria konkurencyjnego endogennego RNA głosi, że transkrypty mające wspólne miejsca wiązania miRNA mogą konkurować o wiązanie tych identycznych miRNA, iw ten sposób lncRNA mogą wiązać miRNA, regulując ich aktywność wiązania w dół i wpływając na ich funkcję. W przypadku myasthenia gravis, gen gospodarza małego jąderkowego RNA lncRNA (SNHG) 16 reguluje ekspresję IL-10 poprzez adsorbowanie let-7c-5p, miRNA, który zwykle wiąże się z IL-10, jako współzawodniczący endogenny RNA.

Leczenie epigenetyczne

Rozpoznanie myasthenia gravis, indywidualne rokowanie i wymagany poziom leczenia można określić poprzez wykrycie ilości krążącego miRNA.

Leki immunosupresyjne stanowią dużą kategorię w badaniach klinicznych dotyczących leczenia myasthenia gravis, ponieważ zmniejszają nadpobudliwą odpowiedź immunologiczną w komórkach T prezentujących antygeny wiążące receptor acetylocholiny. Poprzez nadekspresję miR-146 badania pokazują, że pacjenci z miastenią o wczesnym początku mogą mieć specyficzne dla antygenu działanie supresyjne. Ma to wpływ na zmniejszenie odpowiedzi immunologicznej pacjentów z miastenią i poprawę rokowania. Podobnie udowodniono, że miR-155 jest skorelowany z zapaleniem grasicy związanym z miastenią i odpowiedzią immunologiczną. Prowadzone są badania, podczas których represja miR-155 może zmniejszyć te odbiegające od normy efekty. Wreszcie, konsekwentnie wykazano, że miR-150-5p i miR-21-5p miRNA są podwyższone u pacjentów z myasthenia gravis z przeciwciałami receptora acetylocholinergicznego (w przeciwieństwie do wariantu myasthenia gravis wiążącego MuSK), dlatego te dwa miRNA są wiarygodnymi biomarkerami w wykrywaniu tego wariantu myasthenia gravis.

Choroby neurodegeneracyjne ośrodkowego układu nerwowego

Choroba Alzheimera (AD)

Choroba Alzheimera (AD) jest najbardziej rozpowszechnioną formą demencji wśród osób starszych. Choroba charakteryzuje się behawioralnie przewlekłym i postępującym pogorszeniem funkcji poznawczych, zaczynającym się od utraty pamięci krótkotrwałej, a neurologicznie przez nagromadzenie nieprawidłowo sfałdowanego białka tau i związanych z nim splątków neurofibrylarnych oraz blaszek starczych amyloidu-beta . Zidentyfikowano kilka czynników genetycznych przyczyniających się do AD, w tym mutacje w prekursorowym białku amyloidu ( APP ) i genach presenilin 1 i 2 oraz rodzinne dziedziczenie allelu apolipoproteiny E epsilon 4. Oprócz tych wspólnych czynników istnieje szereg inne geny, które wykazały zmienioną ekspresję w chorobie Alzheimera, z których niektóre są związane z czynnikami epigenetycznymi.

Czynniki epigenetyczne

Czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego

ncRNA: ncRNA kodowany jako antysensowny z intronu w genie enzymu rozszczepiającego beta-amyloid, BACE1, bierze udział w AD. Ten ncRNA, BACE1-AS (antysensowny), który zachodzi na ekson 6 BACE1 , bierze udział w zwiększaniu stabilności transkryptu mRNA BACE1 . Jak sugeruje nazwa tego genu, BACE1 jest białkiem enzymatycznym, które rozszczepia białko prekursorowe amyloidu do nierozpuszczalnej formy beta amyloidu, która następnie agreguje w blaszki starcze. Wraz ze zwiększoną stabilnością BACE1 wynikającą z BACE1-AS , więcej mRNA BACE1 jest dostępnych do translacji na białko BACE1.; Nie wykazano konsekwentnie, aby czynniki
miRNA odgrywały rolę w progresji AD.: miRNA są zaangażowane w potranskrypcyjne wyciszanie genów poprzez hamowanie translacji lub zaangażowanie w szlaki RNAi . Niektóre badania wykazały regulację w górę miRNA-146a, która w różny sposób reguluje ekspresję IRAK1 i IRAK2 związanych z neuroimmunologicznymi kinazami związanymi z interleukiną-1R, w ludzkim mózgu z AD, podczas gdy inne badania wykazały regulację w górę lub w dół miRNA-9 w mózgu.
Metylacja DNA: W przypadkach choroby Alzheimera zaobserwowano globalną hipometylację DNA i hipermetylację specyficzną dla genów, chociaż wyniki różniły się w zależności od badań, zwłaszcza w badaniach ludzkich mózgów. Hipotetycznie globalna hipometylacja powinna być związana z globalnym wzrostem transkrypcji, ponieważ wyspy CpG są najbardziej rozpowszechnione w promotorach genów; hipermetylacja specyficzna dla genu wskazywałaby jednak, że te hipermetylowane geny są tłumione przez znaki metylacji. Ogólnie, obserwowano represyjną hipermetylację genów związanych z uczeniem się i pamięcią w połączeniu z derepresyjną hipometylacją genów neurozapalnych i genów związanych z patologiczną ekspresją choroby Alzheimera. Stwierdzono zmniejszoną metylację w neuronach kory nowej kory skroniowej związanych z pamięcią długotrwałą u bliźniąt jednojajowych z chorobą Alzheimera w porównaniu ze zdrowym bliźniakiem. Globalną hipometylację dinukleotydów CpG obserwowano również w hipokampie iw warstwie II kory śródwęchowej pacjentów z AD u ludzi, z których oba są podatne na patologię AD. Wyniki te, znalezione przez sondowanie za pomocą testów immunologicznych, zostały zakwestionowane przez badania, które badają sekwencję DNA przez sekwencjonowanie wodorosiarczynem , technikę transformacji CpG, która jest wrażliwa na status metylacji CpG, w której zaobserwowano globalną hipometylację.
COX-2: Na poziomie poszczególnych genów dochodzi do hipometylacji, a tym samym derepresji COX-2 , której zahamowanie zmniejsza stan zapalny i ból oraz hipermetylacji BDNF , czynnika neurotroficznego ważnego dla pamięci długotrwałej. Wykazano również, że ekspresja CREB , zależnego od aktywności czynnika transkrypcyjnego zaangażowanego w regulację BDNF wśród wielu innych genów, jest hipermetylowana, a tym samym tłumiona, w mózgach AD, co dodatkowo zmniejsza transkrypcję BDNF . Ponadto wykazano, że synaptofizyna ( SYP ) , główny gen kodujący białko pęcherzyków synaptycznych, jest hipermetylowany, a tym samym represjonowany, a czynnik transkrypcyjny NF-κB , który bierze udział w sygnalizacji immunologicznej, jest hipometylowany, a zatem ulega derepresji. Podsumowując, wyniki te wyjaśniły rolę rozregulowania genów zaangażowanych w uczenie się i pamięć oraz transmisję synaptyczną, a także w odpowiedź immunologiczną.
Hipometylację: zaobserwowano w promotorach prezeniliny 1 , GSK3beta , która fosforyluje białko tau, oraz BACE1 , enzymu, który rozszczepia APP do postaci amyloidu beta, który z kolei agreguje w nierozpuszczalne blaszki starcze. Represyjną hipermetylację wywołaną przez amyloid-beta zaobserwowano w promotorze NEP , genie neprylizyny, która jest głównym enzymem usuwającym amyloid-beta w mózgu. Ta represja NEP może skutkować sprzężonym gromadzeniem się blaszek starczych; w połączeniu z obserwowanym wzrostem w mózgach AD BACE1-AS i odpowiednim wzrostem białka BACE1 i amyloidu beta, wiele poziomów regulacji epigenetycznej może być zaangażowanych w kontrolowanie tworzenia, klirensu lub agregacji amyloidu-beta i odkładania się starczej blaszki miażdżycowej. Może istnieć pewien wpływ wieku na poziomy metylacji DNA w określonych promotorach genów, ponieważ jedno badanie wykazało wyższy poziom metylacji promotorów APP u pacjentów z AD w wieku do 70 lat, ale niższy poziom metylacji u pacjentów w wieku powyżej 70 lat. Badania nad zróżnicowaną metylacją DNA w ludzkich mózgach z AD pozostają w dużej mierze niejednoznaczne, prawdopodobnie ze względu na wysoki stopień zmienności między osobnikami i liczne kombinacje czynników, które mogą prowadzić do AD.
Znaki histonowe: Acetylacja reszt lizyny na ogonach histonów jest zwykle związana z aktywacją transkrypcji, podczas gdy deacetylacja jest związana z represją transkrypcji. Istnieje niewiele badań dotyczących specyficznych znaków histonowych w AD. Badania te wyjaśniły spadek acetylacji lizyn 18 i 23 na N-końcowych ogonach histonu 3 (odpowiednio H3K18 i H3K23) oraz wzrost HDAC2 w mózgach z AD - oba znaki związane z represją transkrypcji. Związany z wiekiem spadek funkcji poznawczych był związany z deregulacją acetylacji H4K12, efektem poznawczym, który został przywrócony u myszy przez indukcję tego znaku.

Zabiegi

Leczenie w celu zapobiegania lub leczenia choroby Alzheimera okazało się kłopotliwe, ponieważ choroba jest przewlekła i postępująca, a wiele leków epigenetycznych działa globalnie, a nie w sposób specyficzny dla genu. Podobnie jak w przypadku innych potencjalnych metod leczenia mających na celu zapobieganie lub łagodzenie objawów AD, te terapie nie działają w celu wyleczenia, a jedynie tymczasowo łagodzą objawy choroby, podkreślając przewlekły, postępujący charakter AD i zmienność metylacji w mózgach AD.

Kwas foliowy i inne witaminy z grupy B: Witaminy z grupy B biorą udział w szlaku metabolicznym prowadzącym do produkcji SAM. SAM jest dawcą grupy metylowej wykorzystywanej przez metylotransferazy DNA (DNMT) do metylowania CpG. Wykorzystując modele zwierzęce, Fuso i in. wykazali przywrócenie metylacji uprzednio hipometylowanych promotorów preseniliny 1 , BACE1 i APP - hipotetycznie stabilnej modyfikacji epigenetycznej, która powinna tłumić te geny i spowalniać postęp AD. Wykazano również, że suplementacja SAM w diecie zmniejsza stres oksydacyjny i opóźnia narastanie neurologicznych cech charakterystycznych AD, takich jak amyloid beta i fosforylowane białko tau u transgenicznych myszy z AD.
AZA: Khan i współpracownicy wykazali potencjalną rolę neuroglobininy w osłabianiu neurotoksyczności związanej z amyloidem. 5-aza-2'deoksycytydyna (AZA lub decytabina), inhibitor DNMT, wykazała pewne dowody na regulację ekspresji neuroglobiny, chociaż odkrycie to nie zostało przetestowane w modelach AD.
Terapie ukierunkowane na histony: Choć niewiele jest badań nad znakami histonowymi w mózgach z chorobą Alzheimera, w kilku badaniach przyjrzano się wpływowi HDACis na leczenie choroby Alzheimera. Inhibitory HDAC klasy I i II, takie jak trichostatyna A, worinostat i maślan sodu, oraz HDACi klasy III, takie jak nikotynamid, okazały się skuteczne w leczeniu objawów w zwierzęcych modelach AD. Choć obiecujący jako środek terapeutyczny na modelach zwierzęcych, badania nad długoterminową skutecznością HDACis i badania na ludziach nie zostały jeszcze przeprowadzone.
Maślan sodu Maślan: sodu należy do HDACi klasy I i II i wykazano, że przywraca zdolność uczenia się i pamięć po 4 tygodniach, zmniejsza fosforylację białka tau i przywraca gęstość kręgosłupa dendrytycznego w hipokampie myszy transgenicznych z AD. Acetylacja histonów wynikająca z rozproszonego stosowania maślanu sodu jest szczególnie rozpowszechniona w hipokampie, a geny zaangażowane w uczenie się i pamięć wykazywały zwiększoną acetylację u myszy AD leczonych tym lekiem.
Trichostatyna A: Trichostatyna A jest również HDACi klasy I i II, która ratuje uczenie się strachu w paradygmacie warunkowania strachu u transgenicznych myszy AD do poziomów typu dzikiego poprzez acetylację ogonów lizynowych histonu 4.
Worinostat: Worinostat jest HDACi klasy I i II, który okazał się szczególnie skuteczny w hamowaniu HDAC2 i przywracaniu funkcji pamięci w modelach deficytów uczenia się innych niż AD. Jedno z badań wykazało, że worinostat jest skuteczny w odwracaniu deficytów pamięci kontekstowej u transgenicznych myszy AD.

Choroba Huntingtona (HD)

To jest przekrój poprzeczny prążkowia ze strukturalnego obrazu MR . Prążkowie, zaznaczone na czerwono, obejmuje jądro ogoniaste ( u góry ), skorupę ( po prawej ) oraz, w przypadku uwzględnienia terminu „ciało prążkowia”, gałkę bladą ( u dołu po lewej ).

Choroba Huntingtona (HD) jest chorobą dziedziczną, która powoduje postępującą degenerację neuronów w obrębie kory mózgowej i prążkowia mózgu, prowadzącą do utraty funkcji motorycznych (mimowolne skurcze mięśni), spadku zdolności poznawczych (co ostatecznie prowadzi do demencji) i zmian w zachowanie.

Genetyka i przyczyny

Choroba Huntingtona jest spowodowana autosomalną dominującą mutacją zwiększającą liczbę powtórzeń kodonów glutaminy (CAG) w genie Huntingtyny (Htt). Gen Htt koduje białko huntingtyny, które odgrywa rolę w prawidłowym rozwoju, ale jego dokładna funkcja pozostaje nieznana. Długość tego powtórzenia CAG koreluje z wiekiem wystąpienia choroby. Przeciętna osoba bez choroby Huntingtona ma mniej niż 36 powtórzeń CAG obecnych w genie Htt. Kiedy ta długość powtórzeń przekracza 36, początek degradacji neuronów i fizyczne objawy choroby Huntingtona mogą wahać się od wieku 5 lat (powtórzenia CAG > 70) do nawet 80 lat (powtórzenia CAG < 39).

Ta ekspansja CAG powoduje obniżenie poziomu mRNA określonych genów, zmniejszoną acetylację histonów i zwiększoną metylację histonów. Dokładny mechanizm tego, jak to powtórzenie powoduje rozregulowanie genów, jest nieznany, ale pewną rolę może odgrywać modyfikacja epigenomu. W przypadku choroby Huntingtona o wczesnym początku (w wieku 5–15 lat) zarówno myszy transgeniczne, jak i linie komórek prążkowia myszy wykazują specyficzną dla mózgu hipoacetylację histonu H3 i zmniejszoną asocjację histonów w określonych genach o obniżonej regulacji w prążkowiu (mianowicie Bdnf, Cnr1, Drd2 - receptor dopaminy 2 i Penk1 – preproenkefalina). Zarówno w przypadku choroby Huntingtona o późnym, jak i wczesnym początku, histony rdzeniowe H3 i H4 związane z tymi obniżonymi genami w mutantach Htt mają hipoacetylację (zmniejszoną acetylację) w porównaniu z Htt typu dzikiego. Ta hipoacetylacja jest wystarczająca, aby spowodować ściślejsze upakowanie chromatyny i regulację w dół mRNA.

Wraz z hipoacetylacją H3 zarówno pacjenci będący ludźmi, jak i myszy ze zmutowanym Htt mają zwiększone poziomy trimetylacji lizyny 9 histonu H3. Ten wzrost trimetylacji H3-K9 jest związany ze zwiększoną ekspresją metylotransferazy ESET/SETDB1 (białko związane z ERG z domeną SET (ESET)), która celuje w reszty H3-K9 i trimetyluje je. Proponuje się, że ta hipermetylacja może odpowiadać za początek specyficznej represji genów w mutantach Htt.

inhibitory HDAC

Pacjenci z Huntingtonem oraz modele myszy i Drosophila wykazują hipoacetylację histonów H3 i H4. Obecnie nie ma leczenia tej choroby, ale przetestowano wiele inhibitorów HDAC i wykazano, że odwracają niektóre objawy spowodowane mutacją Htt.

Maślan sodu

Leczenie maślanem sodu spowalniało degenerację neuronów w modelach Drosophila. Traktowanie maślanem sodu zwiększyło również acetylację histonu H3 i znormalizowało poziomy mRNA dla zmutowanych genów o obniżonej regulacji Htt.

Kwas walproinowy

Traktowanie kwasem walproinowym zwiększyło poziomy acetylacji zmutowanych Htt H3 i H4 porównywalne z Htt typu dzikiego w modelach Drosophila.

Fenylomaślan sodu

Ludzki triasl fenylomaślanu fazy II w dawce 12 do 15 g/dzień wykazał przywrócenie poziomów mRNA genów stłumionych przez mutanta Htt, ale miał również niepożądane skutki uboczne, takie jak nudności, bóle głowy i niestabilność wzmocnienia. Wykazano również, że fenylomaślan zwiększa acetylację histonów, zmniejsza metylację histonów, zwiększa przeżywalność i zmniejsza szybkość degradacji neuronów w mysich modelach z mutacją Htt.

Trichostatyna A

Traktowanie trichostatyną A (TSA) zwiększyło poziomy acetylacji mutanta Htt H3 i H4 porównywalne z Htt typu dzikiego w modelach Drosophila. Wykazano również, że leczenie TSA zwiększa acetylację lizyny 40 alfa-tubuliny w mysich komórkach prążkowia i zwiększa wewnątrzkomórkowy transport BDNF, neurotroficznego czynnika pochodzenia mózgowego, który działa we wzroście i utrzymaniu nerwów w mózgu.

Worinostat (SAHA)

Leczenie worinostatem spowalniało degenerację fotoreceptorów i poprawiało długowieczność dorosłego mutanta Htt Drosophila. Podobnie jak TSA, leczenie SAHA zwiększyło acetylację alfa-tubuliny lizyny 40 w mysich komórkach prążkowia, a także zwiększyło wewnątrzkomórkowy transport BDNF.

Choroba Parkinsona (PD)

ciała Lewy'ego

Choroba Parkinsona (PD) charakteryzuje się postępującą degeneracją neuronów dopaminergicznych w istocie czarnej z nieznanych przyczyn. Kilka genów i czynników środowiskowych (np. ekspozycja na pestycydy) może odgrywać rolę w wystąpieniu PD. Cechami charakterystycznymi są mutacje w genie alfa-synukleiny, SNCA , a także w genach PARK2 , PINK1 , UCHL1 , DJ1 i LRRK2 oraz fibrylarna akumulacja ciał Lewy'ego z nieprawidłowo sfałdowanej alfa-synukleiny. Objawy najbardziej zauważalnie manifestują się zaburzeniami ruchu, w tym drżeniem, sztywnością, deficytami w wykonywaniu kontrolowanych ruchów oraz powolnym i trudnym chodzeniem. Późne stadia choroby skutkują demencją i depresją. Lewodopa i terapia dopaminergiczna mogą złagodzić objawy, chociaż nie ma leczenia zatrzymującego postęp choroby.

Czynniki epigenetyczne

ncRNA: Redukcje miR-133b korelowały ze zmniejszoną liczbą neuronów dopaminergicznych w śródmózgowiu pacjentów z PD. Tymczasem miR-132 jest ujemnie skorelowany z różnicowaniem neuronów dopaminergicznych w śródmózgowiu. miR-7 i miR-153 działają w celu zmniejszenia poziomu alfa-synukleiny (cecha charakterystyczna PD), ale są zmniejszone w mózgu PD.
Metylacja DNA: Neurony pacjentów z ChP wykazują hipometylację sekwencji kodującej czynnik martwicy nowotworów (TNF) alfa , którego nadekspresja prowadzi do apoptozy neuronów. Płyn mózgowo-rdzeniowy pacjentów z PD również wykazuje podwyższone stężenie TNF alfa. Badania wskazują, że może istnieć związek między metylacją DNA a ekspresją SNCA. Ponadto modele ludzkie i mysie wykazały zmniejszenie poziomów jądrowego DNMT1 u pacjentów z chorobą Parkinsona, co skutkowało stanami hipometylacji związanymi z represją transkrypcji.
Histon oznacza: alfa-synukleinę, białko kodowane przez SNCA , może łączyć się z histonami i zapobiegać ich acetylacji w porozumieniu z HDAC HDAC1 i Sirt2. Ponadto wykazano, że alfa-synukleina wiąże histon 3 i hamuje jego acetylację u Drosophila . Ubytek dopaminy w chorobie Parkinsona jest związany z represyjnymi modyfikacjami histonów, w tym zmniejszonym H3K4me3 i niższymi poziomami acetylacji lizyny H3 i H4 po terapii lewodopą (powszechne leczenie PD).

Zabiegi

Leczenie epigenetyczne testowane w modelach PD jest nieliczne, chociaż przeprowadzono pewne obiecujące badania. Większość dotychczas zbadanych metod leczenia jest ukierunkowana na modyfikacje histonów i analizę ich roli w pośredniczeniu w ekspresji i aktywności alfa-synukleiny. Pestycydy i parakwat zwiększają acetylację histonów, wywołując efekty neurotoksyczne podobne do tych obserwowanych w chorobie Parkinsona, takie jak apoptoza komórek dopaminergicznych. Mimo to wydaje się, że leczenie HDACis ma działanie neuroprotekcyjne.

Maślan sodu: W kilku badaniach z wykorzystaniem różnych modeli zwierzęcych wykazano, że maślan sodu może skutecznie zmniejszać neurotoksyczność związaną z alfa-synukleiną. U Drosophila maślan sodu poprawiał upośledzenie ruchowe i zmniejszał wczesną śmiertelność.
Kwas walproinowy: W indukowalnym szczurzym modelu choroby Parkinsona kwas walproinowy miał działanie neuroprotekcyjne poprzez zapobieganie translokacji alfa-synukleiny do jąder komórkowych.
Worinostat W modelu choroby Parkinsona: Drosophila z nadekspresją alfa-synukleiny worinostat (podobnie jak maślan sodu) zmniejszał neurotoksyczność, w której pośredniczy alfa-synukleina.
Hamowanie SIRT2 przez siRNA: Leczenie siRNA hamujące SIRT2 prowadzi do zmniejszenia neurotoksyczności alfa-synukleiny AK-1 lub AGK-2.

Stwardnienie rozsiane

Stwardnienie rozsiane (SM) jest demielinizacyjną chorobą neurodegeneracyjną, której przyczyna nie została potwierdzona, ale jest powszechnie uważana za chorobę autoimmunologiczną z natury. Wskazuje na to demielinizacja nerwów mózgu i rdzenia kręgowego. Jej objawy są wyjątkowe i zróżnicowane, ale obejmują te, które mają zwyrodnieniowe skutki w oczach i kończynach. Mogą one objawiać się drętwieniem lub atrofią, odczuciami podobnymi do wstrząsu, paraliżem, a także brakiem koordynacji lub drżeniem kończyn. W oku stwardnienie rozsiane może powodować niewyraźne widzenie, podwójne widzenie, ból lub utratę wzroku. Efekty stwardnienia rozsianego mogą występować w innych obszarach ciała, ale w dużej mierze charakteryzują się tymi głównymi objawami. Niektóre z nich mogą obejmować utratę funkcji seksualnych lub wydalniczych oraz padaczkę. Chociaż istnieje kilka podkategorii stwardnienia rozsianego, w większości przypadków choroba ma charakter nawrotowy, w którym nawroty objawów mogą nie występować przez dłuższy czas, co zwiększa niepewność choroby. Nie jest znane lekarstwo na stwardnienie rozsiane, ale po nawrocie można podjąć środki w celu odzyskania utraty funkcji, a objawy można złagodzić za pomocą środków terapeutycznych lub leczniczych.

Czynniki epigenetyczne

Ze względu na czynniki zewnętrzne, które poprzedzają stwardnienie rozsiane i dziedziczność typowo występującą u matki, uważa się, że ma przyczynę epigenetyczną. Niektóre czynniki, które mogą zwiększać częstość występowania stwardnienia rozsianego, to palenie tytoniu, niedobór witamin i historia niektórych infekcji wirusowych – które są czynnikami, które mogą indukować zmiany epigenetyczne.

Allel ludzki antygen leukocytarny-DRB1*15

Haplotyp ludzkiego antygenu leukocytarnego-DRB1*15 jest potencjalnym czynnikiem ryzyka SM. Ze względu na zwiększone prawdopodobieństwo, że allel DRB1*15 ludzkich antygenów leukocytarnych matki zostanie przekazany ich dzieciom, przyczynia się to do częstszego występowania stwardnienia rozsianego po matce. Uważa się, że HLA-DRB1 jest regulowany za pomocą środków epigenetycznych. Przypuszcza się, że korelacja SM i tego allelu wynika z obecności hipometylacji na wyspie CpG HLA-DRB1, a te, które niosą allel, zwykle wykazują tę hipometylację. Ekson 2 HLA-DRB1 to szczególny region, w którym dowody wykazały, że metylacja jest ważna w regulacji. Badania dostarczyły dalszych dowodów na to, że zmienność HLA-DRB1 DMR, który jest mechanizmem regulowanym przez metylację, który z kolei reguluje zwiększoną ekspresję HLA-DRB1, wykazuje zwiększone ryzyko SM i manifestacji choroby.

miRNA

Wyższe poziomy ekspresji określonych typów miRNA są często obserwowane w mózgach osób dotkniętych chorobą, co wskazuje na związek tych typów miRNA i stwardnienia rozsianego. Wyższa ekspresja miR-155 i miR-326 jest często związana z różnicowaniem komórek T CD4+, a przy tym różnicowaniu występują przypadki autoimmunologicznego zapalenia mózgu, co jest łącznikiem, z którym uważa się, że palenie może indukować zmiany epigenetyczne, które zwiększają podatność na SM. Wyższe poziomy ekspresji miR-18b, miR-493, miR-599 i miR-96 są często obserwowane u pacjentów ze zdiagnozowanym SM. Wykrywanie miR-145 wydaje się być obiecującym narzędziem diagnostycznym przyszłości ze względu na jego wysoką swoistość wynoszącą 90% i czułość 89,5% w badaniu krwi pełnej ze względu na możliwość odróżnienia zdrowych pacjentów od chorych na SM. Objawem związanym z pacjentami ze stwardnieniem rozsianym są uszkodzenia istoty białej w mózgu, a te zmiany podczas biopsji wykazały wyższą ekspresję miR-155, miR-326 i miR-34a. Są one szczególnie godne uwagi ze względu na fakt, że nadekspresja tych miRNA powoduje obniżenie poziomu CD47, co prowadzi do fagocytozy mieliny, z powodu roli CD47 polegającej na hamowaniu aktywności makrofagów.

Metylacja DNA

Pacjentów z SM można zidentyfikować poprzez obserwację nieprawidłowych wzorców metylacji DNA w genach odpowiedzialnych za stan zapalny i ekspresję czynnika mielinizacji. Metylacja zachodzi w regionie genomowym, wyspie CpG i jest konieczna w regulacji transkrypcji. Metylowany region CpG zazwyczaj jest mechanizmem, który wycisza gen, podczas gdy region hipometylowany jest w stanie indukować transkrypcję. Stosując inhibitory metylacji wykazano, że poprzez zapobieganie wyciszeniu można osiągnąć większą proliferację komórek T. Nieprawidłowości we wzorcach metylacji zwiększają generowanie autoreaktywności CD4+T. Hipometylacja regionów CpG genu PAD2, regulatora MBP, który z kolei reguluje mielinę, jest również związana z wyższymi przypadkami SM. Ta hipometylacja prowadzi do nadekspresji genu PAD2. Wzory te zaobserwowano w istocie białej pacjentów ze stwardnieniem rozsianym. Podczas gdy metylacja jest wskaźnikiem SM, jej efekty są bardziej wyspecjalizowane w lokalizacji SM, na przykład, gdzie te wzorce obserwuje się w istocie białej.

Modyfikacje histonów

Związek nieprawidłowej modyfikacji histonów u pacjentów z SM można znaleźć w zmianach umiejscowionych w mózgu, przy czym większość przypadków tego obserwowano u pacjentów w miarę upływu czasu oraz w zmianach zlokalizowanych w płacie czołowym. Wyższy przypadek acetylacji histonów można zaobserwować u pacjentów dotkniętych chorobą w miarę upływu czasu, ale przeciwdziałają temu niższe przypadki acetylacji histonów w zmianach stwierdzonych w mózgu na wczesnym etapie choroby. Mechanizmy, dzięki którym modyfikacje histonów działają w postępie SM, są niepotwierdzone, ale zmiany w acetylacji są często związane z chorobą.

Zabiegi

Inhibitory HDAC

trichostatyna

Pozytywne odpowiedzi zaobserwowano w badaniach na zwierzętach z wykorzystaniem tego inhibitora HDAC, związanego z pośredniczeniem w szlakach zapalnych, a tym samym skutkującego niższymi przypadkami odpowiedzi zapalnych w mózgu. Wykazano również, że jest skuteczny w zmniejszaniu poziomu niepełnosprawności, gdy myszy znajdowały się w fazie rzutu SM. Pośrednictwo trichostatyny w objawach nie jest dobrze znane, ale uważa się, że działa w zwiększaniu acetylacji w histonach H3 i H4 w komórkach T CD4+, gdzie pacjenci z SM często wykazują różnice w poziomach acetylacji w tych histonach, których nie mają pacjenci z grupy kontrolnej.

Worinostat

Wykorzystano doświadczenia na zwierzętach wraz z badaniem ludzkich mieloidalnych komórek dendrytycznych. Niewiele wiadomo o mechanizmach działania Vorinostatu, jednak zaobserwowano regulację ekspresji cytokin Th1/Th17, które są odpowiedzialne za indukcję stanu zapalnego, co zmniejsza częstość występowania stanu zapalnego i demielinizacji. Zaobserwowano również zmniejszone wzorce proliferacji komórek T, podobnie jak trichostatyna pośredniczy w objawach chorobowych.

kwas walpropinowy

W badaniach na zwierzętach wykazano, że kwas walpropinowy ma pozytywne wyniki w łagodzeniu choroby poprzez regulację ciężkości i czasu trwania SM. Jego mechanizm polega na zmniejszaniu prezentacji miRNA. Jego mechanizm obserwowano u szczurów poprzez przesunięcie Th1 i Th17 do Th2 (odpowiedzialnego za indukowanie stanu zapalnego), zmniejszając w ten sposób ekspresję miRNA w cytokinach zapalnych, mechanizmach pośredniczących w nowotworach i kręgosłupie. Jest to kolejny przypadek, w którym występuje regulacja ekspresji komórek T, zapobiegając proliferacji poprzez ingerencję w jej szlak, podobnie jak w przypadku trichostatyny i worinostatu. Innym efektem VPA jest zapobieganie proliferacji makrofagów i limfocytów w rdzeniach kręgowych szczurów z SM. Obecnie żadne inhibitory HDAC nie są stosowane do łagodzenia objawów u pacjentów ze stwardnieniem rozsianym, jednak niektóre z nich są obecnie w fazie badań przedklinicznych.

Zobacz też

Choroba nerwowo-mięśniowa