Avenços recents en epigenètica de les malalties renals relacionades amb l'edat

Resum:L'envelliment renal ha cridat l'atenció cada cop més a la societat actual, ja que les persones grans d'edat avançada són més susceptibles a diversestrastorns renalscom la lesió renal aguda(AKI) imalaltia renal crònica(ERC). No hi ha un mecanisme universal clar per identificarmalalties renals relacionades amb l'edat, i per tant, suposen un considerable i mèdicrepte de salut pública. L'epigenètica fa referència a l'estudi de modificacions hereditàries en la regulació de l'expressió gènica que no requereixen canvis en la seqüència d'ADN genòmica subjacent. S'han proposat una varietat de modificadors epigenètics com els inhibidors de les histones deacetilases (HDAC) i els inhibidors de l'ADN metiltransferasa (DNMT) com a biomarcadors potencials i dianes terapèutiques en nombrosos camps, inclososmalalties cardiovasculars, malalties del sistema immunitari, malalties del sistema nerviós, i neoplàsies. L'evidència acumulada en els darrers anys indica que s'han implicat modificacions epigenètiquesenvelliment renal. Tanmateix, no s'ha realitzat cap revisió sistemàtica prèvia per generalitzar sistemàticament la relació entreepigenètica i malalties renals relacionades amb l'edat. En aquesta revisió, pretenem resumir els avenços recents en els mecanismes epigenètics de les malalties renals relacionades amb l'edat, així com discutir l'aplicació de modificadors epigenètics com a biomarcadors potencials i dianes terapèutiques en el camp de lamalalties renals relacionades amb l'edat. En resum, els principals tipus de processos epigenètics, inclosa la metilació de l'ADN, les modificacions d'histones i la modulació de l'ARN no codificant (ARNc), han estat implicats en la progressió de les malalties renals relacionades amb l'edat, i l'orientació terapèutica d'aquests processos donarà noves estratègies terapèutiques. per a la prevenció i/o tractament de les malalties renals relacionades amb l'edat.

Paraules clau: epigenètica; modificació de la histona; metilació de l'ADN; regulació de l'ARN no codificant;amalalties renals relacionades amb el ge

FEU CLIC AQUÍ PER OBTENIR CISTANCHE PER TRACTARMALALTIES RENOLÓS RELACIONADAS AMB L'EDAT

1. Introducció

Amb el ràpid desenvolupament de l'economia social i la millora de l'assistència sanitària, l'esperança de vida de la població general ha continuat augmentant, donant lloc a un augment significatiu de la proporció de la població gran [1]. Segons les estadístiques de l'Organització Mundial de la Salut (OMS), s'estima que l'any 2050 hi haurà aproximadament dos mil milions de persones de més de 60 anys a tot el món [2–4]. Entre tots els problemes causats per l'envelliment, l'envelliment renal s'està convertint en no menyspreable. Tot i que el procés d'envelliment no causa directament malaltia renal, els ronyons envellits són més susceptibles a diversos factors adversos com la hipertensió arterial, la diabetis, l'obesitat o els trastorns renals primaris, que poden contribuir al desenvolupament de patologies renals. L'envelliment s'associa amb una disminució inevitable de la funció renal depenent del temps [5,6]. Les principals característiques patològiques del ronyó envellit inclouen l'arteriosclerosi, la glomerulosclerosi, l'atròfia tubular i la fibrosi intersticial [7]. Concretament, nombrosos estudis han indicat que l'envelliment és reconegut com un contribuent important a l'augment de la incidència de lesió renal aguda (IRA) i malaltia renal crònica (ERC) en la població general [7–9]. A més, la incidència de morts per disfunció renal augmenta a nivell mundial paral·lelament a l'envelliment de la població. Tanmateix, els mecanismes subjacents de l'envelliment renal encara no s'han dilucidat clarament i segueixen sent el focus de la investigació actual. Per tant, abordar amb prudència els reptes de l'envelliment de la població requereix identificar les causes arrels d'aquest fenomen, així com resoldre de manera eficaç els problemes, la qual cosa comportarà grans beneficis socials.

Fins ara, s'ha trobat que diversos mecanismes estan estretament associats amb la disminució de la funció dels òrgans associada a l'edat, com ara inestabilitat del genoma, desgast dels telòmers, alteracions epigenètiques, pèrdua de proteòstasi, detecció desregulada de nutrients, disfunció mitocondrial, senescència cel·lular i esgotament de cèl·lules mare, així com comunicació intercel·lular alterada [6, 10], entre els quals els canvis epigenètics són els distintius de l'envelliment recentment identificats en l'última dècada [6, 11]. L'epigenètica es refereix principalment a l'estudi dels processos moleculars que regulen l'expressió gènica i el fenotip sense canviar la seqüència primària d'ADN, que implica principalment la metilació de l'ADN, modificacions post-traduccionals d'histones, remodelació de la cromatina i regulació per ARN no codificants (ARNnc). En els darrers anys, el paper crític de les alteracions epigenètiques ha rebut una atenció creixent per la seva implicació en diversos processos de la malaltia, així com en les funcions fisiològiques normals. A més, ara s'accepta generalment que la metilació de l'ADN i la modificació de les histones s'imprimeixen durant el desenvolupament embrionari i s'han de mantenir en adults per a la salut i l'estabilitat fenotípica [12]. Mentrestant, l'evidència creixent suggereix que l'envelliment cel·lular i de l'organisme està estretament relacionat amb canvis profunds en una sèrie de modificacions epigenètiques, que condueixen a patrons d'expressió gènica alterats [13,14]. En particular, l'acumulació d'evidències ha demostrat que les alteracions epigenètiques com la metilació de l'ADN [15–18], les modificacions d'histones [19,20] i la regulació dels ARNnc [21–23] estan implicades en l'inici i desenvolupament dels processos d'envelliment renal [24]. ]. Recentment, les modificacions epigenètiques aberrants, incloent principalment la metilació de l'ADN [11,17], les modificacions d'histones [20,25,26] i la regulació dels ARNnc [27,28] també s'han implicat cada cop més en la conducció de trastorns renals relacionats amb l'edat. Tanmateix, no s'ha realitzat cap revisió sistemàtica prèvia per generalitzar sistemàticament la relació entre l'epigenètica i les malalties renals relacionades amb l'edat.

L'epigenètica és un camp d'investigació en ràpid creixement i hi ha un profund interès en explotar els fenòmens epigenètics com a biomarcadors diagnòstics o dianes terapèutiques de malalties relacionades amb l'envelliment [29]. En aquesta revisió, resumim la comprensió actual dels papers fisiopatològics de l'epigenètica, especialment centrant-nos en la metilació de l'ADN, les modificacions d'histones i la modulació dels ARNnc, en malalties renals relacionades amb l'edat. Al mateix temps, ens centrem en l'ús prometedor d'aquestes alteracions epigenètiques com a eines potencials per al diagnòstic, tractament i prevenció precoç de les malalties renals relacionades amb l'edat. En conjunt, suggerim que l'epigenètica té un paper clau en el procés d'envelliment i es podria utilitzar com a dianes terapèutiques potencials per al tractament de la malaltia renal relacionada amb l'edat, la qual cosa justifica una investigació addicional per avançar en el coneixement rellevant.

2. El fenotip i el mecanisme de l'envelliment renal

2.1. Mecanismes moleculars de l'envelliment

L'envelliment s'associa amb una inevitable disminució depenent del temps de les funcions cel·lulars, dels teixits i dels òrgans [30], que ha atret l'atenció i la curiositat dels investigadors al llarg de tota la història de la humanitat [6]. Encara que la teoria dels radicals lliures de l'envelliment va ser proposada ja l'any 1956 per Denham Harman [31], no va ser fins al 1983, quan es van aïllar les primeres soques de llarga vida de Caenorhabditis elegans, que va començar una nova era en la investigació sobre l'envelliment [32]. ]. Actualment, els mecanismes proposats que contribueixen al procés d'envelliment inclouen la inestabilitat genòmica, el desgast dels telòmers, les alteracions epigenètiques, la pèrdua de proteòstasi, la detecció desregulada de nutrients, la disfunció mitocondrial, la senescència cel·lular i l'esgotament de les cèl·lules mare, així com una comunicació intercel·lular alterada. A més, el procés d'envelliment també està profundament influenciat per factors externs [33] com els mals hàbits de vida i factors ambientals adversos, que també estan associats amb l'envelliment del cos [34,35]. En canvi, els hàbits de vida saludables com els bons hàbits alimentaris i l'exercici moderat poden retardar eficaçment l'envelliment i millorar la qualitat de vida de les poblacions envellides [34,35]. Malgrat les nombroses teories que s'han proposat durant les últimes quatre dècades per explicar el fenomen del procés d'envelliment, els mecanismes exactes que impulsen el procés fonamental de l'envelliment encara no s'entenen del tot [36,37]

Tot i que el procés d'envelliment humà s'associa amb una disminució gradual de la funció de diversos sistemes d'òrgans, existeix una variació substancial entre persones del mateix grup d'edat a causa d'una combinació de factors genètics i epigenètics, així com de factors ambientals [24]. Com a tal, no hi ha un estàndard d'or per determinar què constitueix un envelliment saludable, ni un únic biomarcador pot proporcionar una mesura vàlida i fiable de l'envelliment biològic [38]. Durant les últimes dècades, s'han proposat i avaluat una sèrie de biomarcadors candidats d'envelliment d'alt potencial, però cap d'ells ha resultat ser universalment aplicable [39-41]. És evident que es necessita una investigació més profunda per obtenir una comprensió sistèmica dels mecanismes subjacents del procés d'envelliment per proporcionar una predicció precisa de l'envelliment i identificar les persones amb alt risc de desenvolupar malalties o discapacitats associades a l'edat.

2.2. Característiques patològiques de l'envelliment del ronyó

L'envelliment s'associa amb una disminució inevitable de la funció renal depenent del temps i una major susceptibilitat a diverses malalties renals agudes o cròniques [5,6], imposant una càrrega enorme als sistemes sanitaris a nivell mundial. Per tal de descobrir mètodes eficients per retardar l'envelliment renal, s'està tornant molt necessari identificar els factors que impulsen els canvis associats a l'edat al ronyó [3,42]. La salut del ronyó depèn de diversos factors, inclosos els antecedents genètics, el gènere, la raça, l'estrès oxidatiu i la inflamació crònica, així com els factors epigenètics (per exemple, la metilació de l'ADN, les modificacions de les histones), tots els quals tenen un paper clau en el procés d'envelliment renal. 43]. Tot i que les dades generades tant a partir d'experiments amb cèl·lules com amb animals indiquen múltiples vies d'importància potencial per a l'envelliment renal (figura 1), les dades que donen suport a la seva implicació en humans són actualment rares, amb investigacions addicionals justificades.

Figura 1. Esquema dels principals mecanismes i fenotip de l'envelliment renal. Amb l'edat, hi ha canvis significatius tant en la funció com en l'estructura del ronyó. Múltiples vies relacionades amb l'edat contribueixen a alterar els resultats renals en la gent gran.

Amb l'edat, hi ha alteracions irreversibles en el ronyó tant a nivell microscòpic i macroscòpic com clínic i funcional. S'ha informat que el pes renal disminueix de la tercera a la vuitena dècada de la vida, amb el descens més pronunciat després dels 50 anys [44,45], però l'anàlisi d'imatge indica que el volum del parènquima renal es manté sense canvis [46]. Això es pot atribuir, en gran mesura, a la hipertròfia compensatòria de les nefrones no afectades en resposta a la pèrdua de nefrones induïda per la glomeruloesclerosi i l'atròfia tubular [47]. Es produeixen una sèrie de canvis estructurals al ronyó amb l'envelliment, com es demostra a la figura 1, que inclouen principalment un nombre de nefrones reduït, una disminució de la mida total de la nefrona, gruix de la membrana basal glomerular (GBM), glomeruloesclerosi, fibrosi intersticial, arteriosclerosi i atròfia tubular, que en última instància, condueix a una disminució de la taxa de filtració glomerular (FG) del plasma renal renal (RPF) [3,48]. A més, els ronyons envellits presenten una major vulnerabilitat a condicions adverses com l'estrès oxidatiu, mediadors inflamatoris i factors fibròtics [49,50].

En conjunt, aquests canvis estructurals i funcionals relacionats amb l'edat en el ronyó poden predisposar inevitablement els ronyons a diversos trastorns renals aguts o crònics.

2.3. Disfunció renal relacionada amb l'edat

Per a una millor comprensió del procés d'envelliment, per intervenir-hi eficaçment, és especialment important distingir la diferència entre el procés d'envelliment natural i la disfunció relacionada amb l'edat [51]. Aquest punt és molt rellevant per a una varietat de malalties relacionades amb l'edat, però és especialment rellevant en el context de la malaltia renal. Tot i que l'envelliment en si no causa malaltia renal, els canvis estructurals i funcionals relacionats amb l'edat poden predisposar les persones envellides a diverses malalties renals [7]. Per exemple, en condicions adverses com la lesió per isquèmia-reperfusió (IRI) i les toxines per nefrotoxicitat, les persones grans tenen una susceptibilitat augmentada a l'IRA [42,52]. Diversos estudis han demostrat que la incidència d'ERC en la gent gran és de 3 a 13 vegades més gran que la de persones més joves [53,54]. A més, hi ha proves que la senescència cel·lular està implicada en la patogènesi de la malaltia renal diabètica (DKD) i que la hiperglucèmia també contribueix a la senescència cel·lular en la DKD [55,56]. Tot i que la senescència cel·lular renal és la causa subjacent de la pèrdua o pèrdua de cèl·lules glomerulars o tubulars del parenquimat relacionat amb l'edat, la senescència cel·lular no sempre juga un paper advers en totes les malalties renals. Per exemple, la malaltia renal poliquística autosòmica dominant (ADPKD) es deu a la proliferació incontrolada de cèl·lules epitelials tubulars renals, i l'inhibidor de CDK, la roscovitina, podria mitigar la progressió de l'ADPKD principalment mitjançant la promoció de la senescència cel·lular [57,58]. Actualment, tot i que les alteracions característiques dels ronyons envellits han estat ben descrites, la distinció entre l'envelliment normal i les malalties renals relacionades amb l'edat mereix més dilucidació. Entendre les etiologies de l'envelliment renal i les malalties renals relacionades amb l'edat podria permetre el desenvolupament racional d'intervencions profilàctiques, així com noves estratègies de tractament dirigides per a la disfunció renal. Els resultats dels estudis actuals suggereixen que els canvis epigenètics induïts per diverses etiologies (per exemple, urèmia, senescència cel·lular, psicològica, estil de vida i diversos patògens) poden precipitar el desenvolupament de malalties renals relacionades amb l'edat (Figura 2) [24]. Mentrestant, cada cop es reconeix més que les modificacions epigenètiques en el desenvolupament del ronyó embrionari i adult estan interconnectades i la desregulació influeix en les malalties renals relacionades amb l'edat [12]. Així, una millor comprensió de la regulació de la modificació epigenètica en el desenvolupament del ronyó embrionari i adult millorarà la nostra comprensió dels mecanismes moleculars de les malalties renals relacionades amb l'edat i desenvoluparà nous tractaments contra aquestes malalties.

En conjunt, dels estudis actuals, podem concloure que, malgrat els grans avenços que s'han fet en la comprensió del procés d'envelliment renal i la disminució associada de la funció renal, la patogènesi de les malalties renals relacionades amb l'edat encara roman sense resposta i requereix més investigació.

Figura 2. El paisatge epigenètic media la interacció entre les etiologies i les disfuncions renals relacionades amb l'edat. Tant les etiologies exògenes com les endògenes poden provocar canvis en el paisatge epigenètic que afecten l'envelliment renal i la fisiologia.

3. Epigenètica i Malalties Renals relacionades amb l'edat

Actualment, els mecanismes responsables de la disminució de la funció dels òrgans relacionats amb l'edat no s'han entès del tot, però l'evidència creixent suggereix que les alteracions epigenètiques, que inclouen principalment la metilació aberrant de l'ADN, les modificacions post-traduccionals de les histones i la regulació per part dels ARNnc, tenen un paper important en diversos Trastorns humans relacionats amb l'edat com ara neurodegeneratius [59], malalties cardiovasculars [60] i estenosi espinal degenerativa [61], així com diverses malalties renals [24,62]. En els següents apartats, resumirem el coneixement actual sobre les implicacions de l'epigenètica en les malalties renals relacionades amb l'edat.

3.1. Metilació de l'ADN en malalties renals relacionades amb l'edat

Tot i que Hotchkiss [63] havia descrit modificacions covalents de bases d'ADN des de 1948, no va ser fins al 1969 que Griffith i Mahler van proposar que aquestes modificacions podrien implicar la modulació de l'expressió gènica [64]. En particular, la modificació principal de l'ADN dels eucariotes és la 5-metilcitosina (5mC) [65], que es produeix principalment a la cinquena posició de l'anell de pirimidina de les citosines. La metilació de l'ADN, el primer mecanisme epigenètic identificat, que es produeix principalment en els dinucleòtids de citosina-fosfat-guanina (CpG) dins de les regions promotores del gen [66], està implicada en la regulació de l'expressió gènica mitjançant la inhibició de factors de transcripció específics que s'uneixen a l'ADN o el reclutament de mediadors de la cromatina. remodelació (p. ex., enzims modificadors d'histones) [67–70]. En els mamífers, els patrons de metilació de l'ADN s'estableixen i mantenen rutinàriament per tres ADN metiltransferases (DNMT) [70,71] incloent DNMT1, DNMT3a i DNMT3b, mentre que, en canvi, la desmetilació de l'ADN es pot aconseguir mitjançant els enzims de translocació de deu-onze (TET). mitjançant la conversió de 5 mC en 5-hidroximetilcitosina (5 hmC) [72,73].

La regulació dinàmica de la metilació i desmetilació de l'ADN és un dels mecanismes reguladors epigenètics més importants de les cèl·lules eucariotes, que fins ara no s'ha entès del tot. L'evidència creixent ha demostrat que la metilació aberrant de l'ADN de llocs CpG específics pot servir com a biomarcadors sensibles per identificar individus amb risc de patir malalties relacionades amb l'edat [61,74]. En particular, les malalties renals relacionades amb l'edat com la ERC i l'IRT són un problema de salut pública important a tot el món a causa de la seva alta morbiditat entre les poblacions envellides. Diversos estudis han explorat bé les associacions entre els patrons de metilació de l'ADN i les malalties renals relacionades amb l'edat [75–77]. Per exemple, un estudi recent va investigar els canvis a tot el genoma en la metilació de l'ADN en mostres de biòpsia renal obtingudes de 95 donants de ronyó sans d'entre 16 i 73 anys [11]. Es van identificar un total de 92.778 llocs de metilació CpG associats significativament amb l'edat del donant mitjançant l'anàlisi dels canvis a tot el genoma en la metilació de l'ADN (més de 800,000 llocs CpG) (FDR).<0.05), corresponding to 10,285 differentially methylated regions. Interestingly, these regions were most frequently located in the Wnt/β-catenin signaling pathway-related genes including the dickkopf Wnt signaling inhibitors (DKK), several SOX transcription factors, Wnt inhibitory factor 1 (WIF1), secreted frizzled-related protein 2 (SFRP2), retinoic acid receptor alfa and beta (RARA and RARB), and so on. Hypermethylation in the promoter region of these Wnt signaling inhibitor genes may contribute to the activation of Wnt/β-catenin signaling in the aged kidney. Furthermore, Wnt/β-catenin signaling, a conserved signaling pathway in organ development, is kept silent in normal adult kidneys [78,79], which is reactivated predominately in tubular epithelial cells in a variety of CKD models [80]. Thus, hypermethylation of these Wnt signaling inhibitor genes induces activation of Wnt/β-catenin signaling, which may lead to aging-related renal changes by triggering tubular epithelial cell transition to mesenchymal or senescent phenotype and promoting renal fibrosis. This study clearly revealed a causal relationship between DNA hypermethylation and age-associated renal dysfunction [11], indicating that DNA methylation alterations could be a new class of potential non-invasive diagnostic and prognostic biomarkers for age-related kidney diseases. Moreover, numerous clinical observations and animal studies have demonstrated that DNA methylome alterations are implicit in the development and progression of CKD [81–84]. For example, an epigenome-wide association study (EWAS) was performed to investigate the genome-wide methylation profiles in whole blood samples from 4859 aging adults, which demonstrated that the epigenetic signatures were significantly associated with kidney function and CKD as well as with the clinical endpoint renal fibrosis [84]. In this study, the researchers identified 19 CpG sites associated with eGFR and CKD from whole blood samples, among which five CpG sites were associated with renal fibrosis and showed consistent and significant DNA methylation changes in renal cortical biopsy samples from CKD patients. The study revealed that eGFR-associated CpG sites were significantly enriched in regions bound to serval transcription factors including Early B-cell Factor1 (EBF1), E1A Binding Protein P300 (EP300), and CCAAT/enhancer-binding protein beta (CEBPB), highlighting the impact of epigenetic modifications on renal function. Moreover, previous studies have demonstrated that several targeted genes regulated by CEBPB, EBF1, and EP300 are essential for kidney development and function [85–88], suggesting that methylation alterations of CEBPB, EBF1, and EP300 target genes may block the regulation of CEBPB, EBF1, and EP300 on their target genes, leading to the development of CKD. Thus, CEBPB, EBF1, and EP300 may serve as promising candidates for future experimental studies to illuminate the underlying gene regulatory mechanisms linking differential DNA methylation to kidney function in health and disease. 

Malgrat que diversos estudis d'associació a tot el genoma i estudis d'associació a tot l'epigenoma han identificat canvis significatius en la metilació de l'ADN amb l'envelliment i les malalties renals relacionades amb l'edat, actualment encara hi ha una manca d'evidència directa que indiqui que les alteracions en particulars patrons d'expressió gènica, així com en els gens. -La metilació específica de l'ADN influeix en l'envelliment renal [17,18]. Un estudi més recent ha proporcionat proves sòlides per descobrir característiques epigenètiques importants de l'envelliment renal [17]. Recentment, Gao i els seus col·legues van informar que la injecció crònica de l'envelliment induït per D-galactosa (D-gal) o els ronyons d'envelliment natural van provocar una inhibició significativa de l'expressió 2-com 2 (NRF2) derivada del factor nuclear KLOTHO i del factor antienvelliment. , acompanyat d'una major expressió de DNMT (subtipus de DNMT1, DNMT3a i DNMT3b), així com la hipermetilació del promotor del gen NRF2 i KLOTHO [17]. L'administració d'agent desmetilant l'ADN, SGI-1027 i OLP, va reduir eficaçment la metilació de l'ADN del promotor NRF2 i KLOTHO i va alleujar els canvis d'alteració estructurals i funcionals relacionats amb l'envelliment induïts per D-gal en els ronyons del ratolí. En particular, els efectes anti-envelliment renal de SGI-1027 en ratolins envellits induïts per D-gal es van abolir significativament silenciant KLOTHO in vivo. D'aquest estudi, podem concloure que la desregulació de DNMT1/3a/3b contribueix de manera significativa al procés d'envelliment renal i la intervenció epigenètica amb agents desmetiladors de l'ADN pot mitigar les alteracions de l'envelliment renal, cosa que suggereix que l'alteració de patrons d'expressió gènica particulars i la metilació de l'ADN genòmic poden efectivament. influeixen en el procés d'envelliment renal. Així, el desenvolupament d'estratègies terapèutiques destinades a revertir els canvis epigenètics adversos associats a l'edat contribuirà al desenvolupament de noves intervencions terapèutiques que puguin retardar o alleujar l'envelliment renal i els trastorns renals associats a l'edat.

A partir de la investigació actual sobre la metilació de l'ADN en malalties renals relacionades amb l'edat (taula 1), podem concloure que la metilació de l'ADN podria haver exercit funcions reguladores crítiques tant en l'envelliment renal normal com en les malalties renals relacionades amb l'edat. No obstant això, els estudis actuals estan lluny de ser suficients per dilucidar els mecanismes moleculars subjacents als canvis de metilació de l'ADN en les malalties renals relacionades amb l'edat. A més, la majoria d'aquestes investigacions no tenen validació experimental in vivo. Per tant, es requereixen estudis més sistemàtics centrats en les alteracions de la metilació de l'ADN en malalties renals relacionades amb l'edat i aplicacions clíniques en el futur.

Taula 1. Metilació de l'ADN enmalalties renals relacionades amb l'edat.