1 Epigenetika v obezitologii 16.3.2017 NT 2017 – 14. 3. 2017 2 Koncepce „Read and Write genome“  Genomy jsou databáze DNA, které obsahují kódující a formátující sekvence, které umožňují dědičné předání schopnosti syntetizovat biologicky adaptivní molekuly RNA a proteinů. V průběhu evoluce se kódující sekvence i formátující signály mění, což umožňuje stále nové adaptace pomocé restrukturalizace genomu (Shapiro, 2011 a Shapiro, 2013).  Dynamický read–write (RW) genome střídá tradiční představu „read only memory“ (ROM) genomu. 3 Koncepce „Read and Write (RW) genome“  Základní ideou této koncepce je myšlenka, že buňky používají DNA jako modifikovatelný prostředek skladující data („data storage medium“), který kóduje RNA a proteinové molekuly: tyto molekuly si musejí poradit s měnícím se prostředím.  Změna je pro žijící organismy kontinuálním dějem. Ke změnám dochází během průchodu buněk cyklem buněčného dělení, s měnícími se vlastnostmi vnějšího prostředí, se zkušeností buněk s poškozením, s vývojem multicelulární morfogenezy a s interakcí buněk s jinými buňkami a organismy. 4 Koncepce „Read and Write (RW) genome“  Ke zvládnutí krátkodobých změn buňky primárně nasazují přechodně vznikající nukleoproteinové komplexy, které jsou schopny regulaci exprese genomických dat a umožňují tak růst a replikaci buněk.  Pro dlouhodobější změny, jako je buněčná diferenciace a multicelulární morfogeneze, vstupují do hry dědičné epigenetické modifikace genomu.  Pro nejdlouhodobější změny, které vytvářejí nové biologické funkce během evoluce, buňky nasazují schopnost „natural genetic engineeringu“, které umožňují přebírat a alterovat sekvence DNA a rekonfigurovat organizaci genomu. Někdy tyto funkce mění strukturu DNA také v zájmu krátkodobých cílů (např. rychlá nastolená diverzita mezi receptory adaptivního imunitního systému). 5 Beyond Gene Discovery in Inflammatory Bowel Disease: The Emerging Role of Epigenetics Gastroenterology. 2013 August;145(2):293-308. Současný pohled na patogenezi nemocí 6 Rozvoj střevní mikroflóry 16.3.2017 6 Až do porodu je GIT plodu sterilní, po narození začíná kolonizace GIT novorozence. Podle typu porodu se tato iniciace podobá kolonizaci kůže (cisařský řez) nebo kolonizaci vaginální (vaginální porod). Během prvních týdnů života je snížena aktivita TLR, což zřejmě umožní stabilizaci střevní kolonizace. Po zavedení pevné výživy se zvyšuje diverzita střevní mirkoflóry a střevní kolonizace se začíná podobat dospělému jedinci. V té době se imunitní systém „učí“ rozlišovat mezi „hodnými“ a patogenními bakteriemi. V dospělém věku je dosaženo relativně stabilního (interindividuálně odlišného) složení střevní mikroflóry, s dominantním zastoupením Bacteroidetes a Firmicutes. Různé nemoci se signifikantně liší změnami ve střevní mikroflóře a produkci cytokinů v GIT. Cell 2012; 148: 1258–1270 7 •Virulence některých parazitů podmíněna přítomností některých bakterií (E. histolytica a E. coli nebo S. dysenteriae. •Vnímavost hostitele k virové infekci je podmíněna zvláštní konfigurací mikroorganismů •Infekce herpesvirem může podmiňovat resistenci vůči některým bakteriálním infekcím. •Antibiotika mohou signifikantně změnit složení mikroflóry. •Jasná korelace zjištěna mezi mnohými nemocemi a dysbiózou. •Široké užívání antibiotik může být významné ve vztahu k dramatickému nárůstu autoimunnich nemocí v posledních letech. •Parazitární infekce naopak podporují resistenci vůči rozvoji autoimunitních nemocí. Efekt interakce bakterií, virů a eukaryot ve zdraví a nemoci 16.3.2017 7 Cell 2012; 148: 1258–1270 8 Metodologie studia střevního mikrobiomu 16.3.20178 World J Gastroenterol. 2015 Jan 21;21(3):803-14. 9 The loss of universal helminth infection as occurred in earlier human evolution may alter the numbers or types of bacterial and fungal commensals and thus affect normal mucosal tissue homeostasis. In susceptible or highly exposed individuals, such alterations might alter the balance between immunotolerance, immunosurveillance and nutrient extraction. This imbalance may contribute to the appearance of inflammatory systemic dysregulation at mucosal surfaces, resulting in increases in asthma and allergic diseases, particularly in the setting of environmental changes that have increased exposure to indoor allergens and pollutants, and even to increases in obesity, which can be a risk factor for severe asthma. 10 11 Overview of the mechanisms and consequences of epigenetic regulation by nutritional compounds. Modulation of different classes of chromatin writers-erasers by phytochemicals (left panel). Genes encoding absorption, distribution, metabolism, and excretion (ADME) proteins can be epigenetically regulated and thereby determine individual nutritional responses. Epigenetic modification of disease-related genes can contribute to diagnosis (biomarker) as well as disease prevention or progression (right panel). 2015 Mar 25;7(1):33. doi: 10.1186/s13148- 015-0068-2. eCollection 2015. From inflammaging to healthy aging by dietary lifestyle choices: is epigenetics the key to personalized nutrition? Vel Szic KS1, Declerck K1, Vidaković M2, Vanden Berghe W1. 12 Hypotéza „thrifty genotype“  Selektovány byly alely, které favorizovaly nárůst váhy a skladování tuku, protože byly výhodné v častých obdobích nutriční deprivace  V podmínkách dostupnosti jídla a snížené potřeby fyzické aktivity vede taková predispozice k pandemii obezity v rozvinutých zemích  Obezita:  Zánět nízkého stupně  Inzulínová rezistence  Rizikové faktory pro četné komplexní nemoci: hypertenze, diabetes mellitus, typ II, syndrom polycystických ovárií, onemocnění GIT včetně rakoviny  Geny účastnící se v regulacích nutričního stavu jako kandidátní geny pro obezitu 13 Genomický imprinting (otisk?)  Je komplexní epigenetický proces, který se účastní při embryogenezi, reprodukci a gametogenezi.  Imprinting se odehrává jen u malé části genomu. „Imprinted“ geny jsou exprimovány monoalelicky, specifickým způsobem daným tím, od kterého rodiče se tato alela dědí.  Tyto geny se vyskytují v clusterech řízených rozdílně metylovanými oblastmi nebo kontrolními oblastmi pro imprinting. Jakýkoliv defekt nebo v tomto procesu může vést ke ztrátě imprintingu v klíčových locusech daného clusteru.  Tato ztráta má ve většině případů významný vliv na rozvoj plodu a může mít za následek neurologické, vývojové nebo metabolické onemocnění. Hlavní roli v imprintingu hraje DNA metylace a modifikace histonu, např. sy Prader-Willy. 14 Genomický imprinting- příčiny  4 příčiny ztráty imprintingu:  Delece  Jiné mutace  Uniparentální disomie (oba chromosomy od jednoho z rodičů)  Epimutace (aberace metylace DNA nebo histonové modifikace v imprintovaných clusterech) 15 Genomický imprinting - důsledky  Aberantní umlčení aktivní alely nebo exprese inaktivní alely  Tranzitní neonatální DM – perzistentní hyperglykémie s retardací růstu -6 týdnů po narození (léčba insulinem); u 50% se upraví po 18 měsíci života  Incidence 1/400 000  Vyšší incidence DM T2 v dospělosti 16 17 Dvě možná vysvětlení pro vztah mezi leptinem a aterosklerózou: (1) obezita je asociována s hyperleptinémií v důsledku zvětšeného množství tukové tkáně, což vede k podpoře proaterogenních efektrů leptinu, (2) obezita s hyperleptinémií vedou k leptinové rezistenci se sníženým pozitivním protiaterosklerotickým působením leptinu. PON1: paraoxonáza 1, SMC: buňky hladké svaloviny. 18 Pathophysiological mechanisms linking obesity and GI cancers. 19 From inflammaging to healthy aging by dietary lifestyle choices: is epigenetics the key to personalized nutrition?  U stárnoucí populaci rozvinutých zemí se zvyšuje počet lidí, kteří trpí chronickými zánětlivými nemocemi souvisejícími s věkem, jako je metabolický syndrom, diabetes, nemoci srdce a plic, nádorová onemocnění, osteporóza, artritida a demence.  Heterogenita biologického stárnutí, chronologický věk a nemoci asociované se stárnutím mohou být vztaženy k různým faktorům genetickým a různým faktorům prostředí (např. diettním návykům, znečištění, stresu), které jsou úzce spojeny s faktory socioekonomickými.  Průnikem těchto faktorů je zánětlivá odpověď. Chronický systémový zánět nízkého stupně během fyziologického stárnutí a stárnutí imunitního systému se potkávají v patogeneze předčasného stárnutí nazývaného 'inflammaging.' Tento pojem zahrnuje „křehkost“, morbiditu a mortalitu starších osob.  Zatím nevíme, zda a do jaké míry je inflammaging nebo dlouhověkost ovlivněn epigenetickými událostmi v časném věku jedince. 2015 Mar 25;7(1):33. doi: 10.1186/s13148-015- 0068-2. eCollection 2015. 20 From inflammaging to healthy aging by dietary lifestyle choices: is epigenetics the key to personalized nutrition?  V současné době se uznává, že dieta má zásadní vliv na rozvoj a prevenci nemocí asociovaných s věkem.  Většina dietních látek rostlinného původu („plant-derived dietary phytochemicals“) a makro- a mikronutrientů moduluje oxidativní stres a zánětlivou signalizaci a reguluje metabolické cesty a bioenergetiku, což je možno přeložit do stabilní epigenetické regulace genové exprese. Dietní intervence vedoucí k fyziologickému stárnutí jsou proto velkým tématem nutričního epigenetického výzkumu.  Komplexní interakce mezi složkami potravy a modifikacemi histonů, metylací DNA, expresí nekódujících RNA a dalšími složkami, které mohou remodelovat chromatin, je schopna ovlivňovat fenotyp inflammagingu a může proto chránit nebo naopak predisponovat jedince k nemocem spojeným s věkem.  Různí lidé reagují různě na stejnou dietní intervence, což je dáno jejich genetickou i epigenetickou diverzitou  Personalizovaná nutrice!!! Výživa na míru… 2015 Mar 25;7(1):33. doi: 10.1186/s13148- 015-0068-2. eCollection 2015 21 Hlavní východiska nutrigenetiky/nutrigenomiky Výživa může mít přímý dopad na zdraví přímým ovlivněním exprese genů v kritických metabolických drahách a/nebo nepřímo ovlivněním incidence genetických mutací v základní sekvenci DNA nebo na chromozomální úrovni, což může dále ovlivňovat genovou expresi a tvorbu proteinu. Účinky nutrientů a jejich kombinací na zdraví závisejí na genetických variantách, které ovlivňují příjem a metabolismus nutrientů a/nebo molekulární interakce enzymů s jejich nutričními kofaktory a tím ovlivňují aktivitu různých biochemických reakcí. Pokud by nutriční požadavky jedinců byly zohledněny v kontextu zděděných i získaných genetických charakteristik jedince, jeho přirozených stravovacích preferencí i zdravotního stavu, bylo by možné dosáhnout zlepšení zdravotního stavu celé populace. 22 Epigenetika  = stabilní a heritabilní změny v genové expresi, které nezahrnují změny v sekvenci DNA  Epigenetické procesy řídí genovou expresi během buněčného cyklu, vývoje a v odpovědi na modifikace prostředím nebo biologickými faktory 16.3.2017 23 Typy epigenetických procesů 1. Metylace DNA = kovalentní vazba metylových skupin na CpG ostrůvky v DNA:  Typicky jsou metylovány v netranskribujících se genech  Typicky jsou sníženě metylovány v genech, které jsou transkribovány  Změna metylačních programů jako výraz dysregulace („rakovinný program“)  5 typů metyltransferáz (DNMT1, DNMT3a, DNMT3b, DNMT3L a DNMT2) 16.3.2017 24 16.3.2017 25 Typy epigenetických procesů  2. Postranslační modifikace histonů  Nukleosom je základní jednotka chromatinu skládající se z 146 bp DNA obtočené kolem oktameru proteinů, který se skládá ze dvou podjednotek všech 4 histonů : H2A, H2B, H3 a H4.  2 typy modifikací: acetylace a metylace 16.3.2017 26 Typy epigenetických procesů  3. Mechanismy založené na RNA  Zralé mikroRNA (miRNA) jsou malé jednořetězcové molekuly RNA, typicky s 22 nukleotidy.  Poprvé byly identifikovány u organismu Caenorhabditis elegans v roce 1993, dosud identifikovány u mnoha druhů živočichů i rostlin.  V lidském genomu bylo dosud identifikováno více než 700 genů pro miRNA (http://microrna.sanger.ac.uk/).  Asi 30% lidských genů je patrně regulováno miRNA. 16.3.2017 27 Acetylace histonů je katalyzována histon acetyltransferázami (HATs) a deacetylace histonů histon deacetylázami (HDs nebo HDACs). 16.3.2017 28 Role DNA metylace a histonové modifikace v regulaci genů. A. Metylace cytosinu v CpG párech povolává proteiny obsahující methyl-CpG-binding domain (MBD), jako jsou MeCP2. Pokud se MBD naváže, vytváří komplex s histon deacetylázami (HDAC) nebo přímo blokuje vazbu transkripčních faktorů B. MBD se nemohou vázat na hypometylovanou DNA. C. Acetylace pozitivně nabitých lysinových amino skupin v histonech histonovými acetyltransferázami (HAT) neutralizuje náboj a uvolňuje vazbu negativně nabitých fosfátů v DNA. Takto“relaxovaná“ DNA podporuje vazbu a aktivní transkripci. 16.3.2017 29 The pathways affected by HDAC activity. Stimson L et al. Ann Oncol 2009;20:1293-1302 © The Author 2009. Published by Oxford University Press on behalf of the European Society for Medical Oncology. All rights reserved. For permissions, please email: journals.permissions@oxfordjournals.org 16.3.2017 30 „Dostupnost“ chromatinu  DNA je normálně svinuta do B-DNA= jeden pravotočivý závit na 10,5 bp. Toto svinutí ovlivňují topoizomerázy, vazba proteinů, transkripce, replikace, změny v iontovém složení.  Zvýšené zavinutí („positive supercoiling stress“)  Snížené zavinutí („negative supercoiling stress“)  Euchromatin – relaxovaný, transkripčně aktivovatelný  Heterochromatin –kondenzovaný, relativně nedostupný 16.3.2017 31 Metotrexát a jeho aktivní polyglutamátové metabolity interferují s buněčnými metabolickými procesy, jako je přenos jednouhlíkatých zbytků, který blokuje syntézu purinů a pirimidinů de novo inhibicí klíčových enzymů DHFR, ATIC, and TYMS. Tento antimetabolický efekt vede k alteraci intracelulární nabídky nukleotidů a zvýšení uvolňování adenosinu s protizánětlivým efektem. Front. Pharmacol., 23 March 2015 Změna transkripce ! 16.3.20173 1 ABCs, ATP-binding cassette transporters; AMP, adenosine monophosphate; ATIC, adenosine ribonucleotide transformylase; DHFR, dihydrofolate reductase; FPGS, folylpolyglutamate synthase; GGH, gammaglutamyl hydrolase; IMP, inosine monophosphate; ITP: inosine triphosphate; ITPA, inosine triphosphate-pyrophosphatase; SLC19A1, solute carrier family 19 member 1; TYMS, thymidylate synthetase. Dihydrofolát reduktáza Tymidilát syntetáza Adenosin ribonukleotid transformáza 32 16.3.2017 Epigenetické odpovědi, které ovlivňují zánět tukové tkáně u obezity. Faktory prostředí, životního stylu a genetický „make -up“ mají za následek ‘personalizované’ epigenomické odpovědi a alterace v metabolických cestách. Ty zřejmě ovlivňují zánět tukové tkáně během progrese obezity. Toubal A1, Treuter E, Clément K, Venteclef N. Genomic and epigenomic regulation of adipose tissue inflammation in obesity. Trends Endocrinol Metab. 2013 Dec;24(12):625-34. 33 16.3.2017 Prozánětlivá signalizace v tukové tkáni Toubal A1, Treuter E, Clément K, Venteclef N. Genomic and epigenomic regulation of adipose tissue inflammation in obesity. Trends Endocrinol Metab. 2013 Dec;24(12):625-34. 34 Prozánětlivá signalizace v tukové tkáni Signalizace z tukové tkáně (lipidy, cytokiny a LPS) aktivují buňky imunitního systému a adipocyty prostřednictvím TNFR a TLR, což vede k posttranslační modifikaci NF-κB a JNK. Aktivace NF-κB je indukována aktivací komplexů IKK a degradací IκB, což umožní translokaci NF-κB do jádra a jeho vazbu na promotory prozánětlivých genů. Aktivace těchto receptorů vede také k podpoře fosforylace (posttranslační úprava) (P) JNK kaskádou MAP kinázy. Fosforylovaná JNK aktivuje prozánětlivé transkripční faktory jako c-Jun a c-Fos (AP-1).  Zkratky: IFN, interferon; IκB, inhibitor of NF-κB; IKK, IκB kinase; IRF, interferon regulatory factor; IRS, insulin receptor substrate; JAK, Janus kinase; JNK, Jun N-terminal kinase; LPS, lipopolysaccharide; MAP, mitogen-activated protein; MYD88, myeloid differentiation primary response gene 88; NF-κB; nuclear factor κ light-chain-enhancer of activated B cells; STAT, signal transducer and activator of transcription; TBK1, TANK-binding kinase; TLR, Tolllike receptor; TNF, tumor necrosis factor; TNFR, TNF receptor; TRAF6; TNF receptor-associated factor 6. 16.3.2017 Toubal A1, Treuter E, Clément K, Venteclef N. Genomic and epigenomic regulation of adipose tissue inflammation in obesity. Trends Endocrinol Metab. 2013 Dec;24(12):625-34. 35 Prozánětlivá signalizace v tukové tkáni Aktivace TLR signály z tukové tkáně indukuje také fosforylaci IRF pomocí TRAF6/TBK1 kaskády. Fosforylované IRF mohou dimerizovat s proteiny STAT (aktivovanými kaskádou JAK/STAT) a vytvářejí tak regulační komplex, který je přiveden k IFN-stimulovaným promotorům a aktivuje jejich expresi (2). Tyto prozánětlivé signály mohou indukovat insulinovou rezistenci v adipocytech zejména podporou fosforylace serinových reziduí IRS cestou JNK (3).  Zkratky: IFN, interferon; IκB, inhibitor of NF-κB; IKK, IκB kinase; IRF, interferon regulatory factor; IRS, insulin receptor substrate; JAK, Janus kinase; JNK, Jun N-terminal kinase; LPS, lipopolysaccharide; MAP, mitogen-activated protein; MYD88, myeloid differentiation primary response gene 88; NF-κB; nuclear factor κ light-chain-enhancer of activated B cells; STAT, signal transducer and activator of transcription; TBK1, TANK-binding kinase; TLR, Tolllike receptor; TNF, tumor necrosis factor; TNFR, TNF receptor; TRAF6; TNF receptor-associated factor 6. 16.3.2017 Toubal A1, Treuter E, Clément K, Venteclef N. Genomic and epigenomic regulation of adipose tissue inflammation in obesity. Trends Endocrinol Metab. 2013 Dec;24(12):625-34. 36 16.3.2017 Epigenomická regulace zánětu v tukové tkáni Toubal A1, Treuter E, Clément K, Venteclef N. Genomic and epigenomic regulation of adipose tissue inflammation in obesity. Trends Endocrinol Metab. 2013 Dec;24(12):625-34. 37 Epigenomická regulace zánětu v tukové tkáni  (A) V tukové tkáni štíhlého člověka je exprese prozánětlivých genů reprimována korepresorovým komplexem SMRT/GPS2, který suprimuje aktivaci prozánětlivých transkripčních faktorů (NF-κB, AP-1, C/EBP) (1). Demetylace histonu H3K4 indukuje tvorbu heterochromatinu, což zastavuje transkripční mašinérii (RNA polymerázu II) (2). Transkripční faktor KLF4 je povolán do promotorů protizánětlivých genů, což vede k jejich expresi (3).  (B) Nárůst váhy vede k metabolickým alteracím , které způsobí prozánětlivé stimuly. Aktivace TLR4, TNF-R a IFN-R jejich ligandami (1) indukuje prozánětlivé kaskády (2), což vede k uvolnění SMRT/GPS2 korepresorového komplexu z promotorů prozánětlivých genů (3). Metylace H3K4 indukuje dekondenzaci chromatinu, což obnoví transkripční mašinérii (RNA polymerázu II) (4).  Zkratky: CBP/P300, CREB-binding protein (p300); C/EBP, CCAAT-enhancer-binding protein; FFA, free fatty acids, GPS2, G protein pathway suppressor 2; H3K4, histone 3 lysine 4; IFN-R, interferon receptor; KLF4, Krüppel-like factor 4; PPARγ, peroxisome proliferator-activated receptor γ; SMRT, silencing mediator for retinoid and thyroid hormone receptor; SWI-SNF, switching-defective sucrose non-fermenting; TWIST1, E-box transcription factor Twist-related protein 1; TZD, thiadolizinedione. 16.3.2017 Toubal A1, Treuter E, Clément K, Venteclef N. Genomic and epigenomic regulation of adipose tissue inflammation in obesity. Trends Endocrinol Metab. 2013 Dec;24(12):625-34. 38 Epigenomická regulace zánětu v tukové tkáni  (C) Uvolnění korepresorového komplexu SMRT/GPS2 a metylace H3K4 umožňuje povolání kofaktorového komplexu CBP/P300–SWI-SNF, který dále remodeluje a modifikuje chromatin (např. acetylací) a tak spolupracuje s transkripční mašinérií při indukci genové transkripce.  (D) Ztráta váhy nebo léčba TZD indukuje signifikantní snížení zánětu tukové tkáně. Indukuje také aktivaci PPARγ/TWIST1, což vede k obnovení exprese a aktivity SMRT/GPS2 v komplexu (1). TZD léčba stabilizuje interakci PPARγ–GPS2, což zabraňuje uvolnění korepresorového komplexu nebo uplatnění koaktivátorů. Konečně demetylace H3K4 (3) a povolání protizánětlivých transkripčních faktorů jako KLF4 (4) uzavírá návrat tukové tkáně do nezánětlivého nebo lehce zánětlivého stavu.  Zkratky: CBP/P300, CREB-binding protein (p300); C/EBP, CCAAT-enhancer-binding protein; FFA, free fatty acids, GPS2, G protein pathway suppressor 2; H3K4, histone 3 lysine 4; IFN-R, interferon receptor; KLF4, Krüppel-like factor 4; PPARγ, peroxisome proliferator-activated receptor γ; SMRT, silencing mediator for retinoid and thyroid hormone receptor; SWI-SNF, switching-defective sucrose non-fermenting; TWIST1, E-box transcription factor Twist-related protein 1; TZD, thiadolizinedione. 16.3.2017 Toubal A1, Treuter E, Clément K, Venteclef N. Genomic and epigenomic regulation of adipose tissue inflammation in obesity. Trends Endocrinol Metab. 2013 Dec;24(12):625-34. 39 Epikardiální tuková tkáň Epikardiální část – mezi vnitřním povrchem visverálního listu pleury a vlastním povrchem myokardu (bez fascie-sdílená mikrocirkuklace) -původ-splanchnopleurický mezoderm – zásoben difúzí z koronárních arterií. Podobný hnědému tuku (vysoká exprese UCP-1 aj.) Výskyt: volná plocha PK, část LK, síní a okolo cév 40 Epikardiální tuková tkáň Epikardiální část Funkce Tukový depot pro zátěžové situace Pufrační systém pro liperlipidemické situace, které kardiomyocyty špatně tolerují Udržování tepla v myokardu při změnách teploty tělového jádra (vlastnosti hnědého tuku) Polštář pro cévy při rázech pulsové vlny Remodelace cév (pozitivní) 41 Epikardiální tuková tkáň  Perikardiální složka (parakardiální) – tuk mezi vnějším povrchem parientální listu pleury a stěnou hrudníku – původprimitivní hrudní mezenchym–zásobení z a. mammaria int. 42 43 Děkuji vám za pozornost 16.3.2017