Cistanche-Forschung: Pharmakologische epigenetische Modulatoren der alkalischen Phosphatase bei chronischer Nierenerkrankung Teil 2

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EPIGENETISCHE REGULIERUNG VONALKALISCHE PHOSPHATASE

Der Begriff Epigenotyp wurde 1942 von Waddington geprägt, der zu dem Schluss kam, dass zwischen Genotyp und Phänotyp ein ganzer Komplex von Entwicklungsprozessen liegt“[84]. Die moderne Definition vonEpigenetikumfasst Modifikationen von DNA und assoziierten Proteinen, die keine Änderungen an der zugrunde liegenden DNA-Sequenz beinhalten, die von der Umwelt beeinflusst und während der Zellteilung aufrechterhalten werden, die stabile Veränderungen in der Genexpression verursachen [85&]. Die wichtigstenepigenetischFaktoren sind DNA-Methylierung, posttranslationale Veränderungen von Histonen und Chromatinstruktur höherer Ordnung. Posttranslationale Modifikationen von Histonen beeinflussen die Chromatinstruktur, die Zugänglichkeit und die Rekrutierung der Transkriptionsmaschinerie, um zu bestimmen, ob Gene ein- oder ausgeschaltet werden. Diese dynamischen Modifikationen orchestrieren zelluläre Reaktionen auf Umwelt-, Entwicklungs- oder Stoffwechselreize durch Modifikation des Transkriptoms. Jedoch,Epigenetikkann einer fehlregulierten Genexpression bei Krankheitszuständen zugrunde liegen, einschließlich Krebs [86] und pathologischen Entzündungsprozessen [87]. Enzyme oder Proteine, die erzeugen oder mit ihnen interagierenepigenetischÄnderungen können als Schreiber, Radierer oder Leser klassifiziert werden, je nachdem, ob sie eine posttranslationale Modifikation hinzufügen, entfernen oder erkennen (Abb. 3).

ABBILDUNG 3. Chromatin besteht aus DNA und Proteinen, die eine kompakte Struktur erzeugen, die für die Verpackung und Stabilität eukaryotischer Chromosomen entscheidend ist. Die primären Proteinkomponenten sind Histone, um die sich die DNA wickelt, um ein Nukleosom zu bilden.Epigenetikumfasst kovalente Chromatinmodifikationen, die die zugrunde liegende DNA-Sequenz nicht beeinflussen. Kovalente Modifikationen am Chromatin wirken sich sowohl auf die Chromatinstruktur als auch auf die Rekrutierung von Transkriptionskomplexen aus, die tatsächlich Gene an- oder ausschalten. Diese dynamischepigenetischModifikationen werden durch Hinzufügen (Schreiben) und Entfernen (Löschen) posttranslationaler Modifikationen durchgeführt, gefolgt von „Lesen“, was die Genexpression und eventuelle phänotypische Reaktion diktiert.

Histon-Acetylierung

Histonacetylierung ist mit offener Chromatinstruktur, Zugänglichkeit für Transkriptionsfaktorbindung und aktiver Transkription verbunden [88& ]. Histon von AcetylierungseinwirkungenalkalischPhosphatase-Expression. Histon-Deacetylase-Inhibitoren (HDACi) erhöhen die Chromatin-Acetylierung. In vitro, HDACi-induzierte Expression vonalkalischPhosphatase-L förderte die osteogene Differenzierung menschlicher mesenchymaler Stammzellen [89]. Mechanistisch wurde die Histonacetylierung mit der Regulation von knochenmorphogenetischen Proteinen, der WNT-Signalgebung und der RUNX2-Induktion in Verbindung gebracht [90]. Ob die Acetylierung die Promotoren von direkt beeinflusstalkalischPhosphatase-L-Expression ist ein Bereich laufender Forschung.

DNA-Methylierungsstudien haben gezeigt, dass diealkalischPhosphatase-L-Promotor A1E ist hoch methyliert [91]. Delgado-Calle et al. [92], zeigten, dass die DNA-Methylierung eine wichtige Rolle bei der Modulation von spieltalkalischPhosphataseExpression in humanen Osteoblasten-ähnlichen Zellen. Sie zeigten eine umgekehrte Beziehung zwischen dem Methylierungsstatus einer CpG-Insel, die sich von -579 bis þ836 bp erstrecktealkalischPhosphataseGen einschließlich der Promotorregion, was dies impliziertepigenetischRegulation durch DNA-Demethylierung stark verstärktalkalischPhosphataseAusdruck und Aktivität [92]. Bei VSMC modulieren sowohl Phosphat- als auch Hydroxyapatit-Nanokristalle die DNA-Methylierung, was zu einer erhöhten alkalischen Phosphatase-Aktivität und der Induktion eines Osteoblasten-ähnlichen Phänotyps führt [93,94]

Cistanche kann einer chronischen Nierenerkrankung vorbeugen.

MicroRNAs

Lange nichtkodierende RNAs undmicroRNAssind ebenfalls entscheidendepigenetischFaktoren, die an der posttranskriptionellen Genregulation beteiligt sind [77,95& ]. DasmicroRNAssind kleine, nicht codierende, einzelsträngige RNA-Moleküle, etwa 18–25 Nukleotide lang, die die Proteinsynthese hemmen, indem sie an die 30--untranslatierte Region der mRNA binden, um die Proteintranslation zu blockieren und/oder die mRNA-Stabilität zu modulieren. Durch Computervorhersagen wurde geschätzt, dass mehr als 50 Prozent aller menschlichen proteinkodierenden Gene potenziell durch reguliert werdenmicroRNAs[96]. KnochenregulierendmicroRNAsspielen eine Schlüsselrolle bei der osteogenen Differenzierung und Signalwegen, die an der Osteogenese beteiligt sind [77,95&,97,98]. Die wichtigsten Transkriptionsfaktoren Runx2 und Osx werden von zahlreichen herunterreguliertmicroRNAsin pluripotenten mesenchymalen Zellen, um den Knochenphänotyp in nicht-ossären Zellen und Geweben zu unterdrücken [77,99].

EtwasmicroRNAsEs wurde festgestellt, dass sie bestimmte Signalwege im Zusammenhang mit der osteogenen Differenzierung unterdrücken und fördern [95&,100&]. Reduzierte mRNA-Expression für Kollagen I,alkalischPhosphatase, und Osteocalcin wurde bei der Überexpression von miR- 375 gefunden, was darauf hindeutet, dass miR-375 die osteogene Differenzierung durch Targeting von Runx2 unterdrücken kann [101]. Es wurde auch berichtet, dass eine Überexpression von miR-133a-5p hemmtalkalischPhosphataseExpression und Mineralisierung durch Targeting von Runx2 [102]. Liet al. [103], zeigten, dass miR-216a die Differenzierung von Osteoblasten förderte und die Knochenbildung verstärkte.

PHARMAKOLOGISCHE EPIGENETISCHE INTERVENTIONEN TARGETINGALKALISCHE PHOSPHATASE

MicroRNAs

Angesichts der allgegenwärtigen Expression der alkalischen Phosphatase, ihrer zentralen Rolle bei der Biomineralisation und der hohen Inzidenz vonGefäßverkalkungbei Patienten mitchronischNiereErkrankung, ist es sinnvoll, pharmakologische zu erforschenepigenetischModulation der alkalischen Phosphatase als mögliche therapeutische Maßnahme zur Vorbeugung kardiovaskulärer Komplikationen beichronischNiereErkrankung[9& ]. Jüngste Beweise deuten darauf hinmicroRNAssind dereguliertchronischNiereErkrankung–Mineralstoff- und Knochenerkrankungen [104]. Experimentelle Studien unterstützen das Konzept, dassmicroRNAssind potenzielle Ziele für eine VerbesserungGefäßverkalkung[100& ]. Laut miRBase Version 22, Sequenzen von 2656 reifen MenschenmicroRNAswurden bisher katalogisiert [105]. Daher ist es eine herausfordernde Aufgabe, die meisten davon einzubeziehenmicroRNAsdie im Laufe der Jahre in diesem Review untersucht wurden. Jüngste Daten zeigen jedoch, dass Phosphat-induzierte Aortenverkalkung eine miRNA-Modulation auslösen, indem sie miR-200c, miR-155 und miR-322 hochregulieren, während miR-708 und miR{{ 5}} wurden herunterreguliert [106& ]. SonstigesmicroRNAsan denen beteiligt sindGefäßverkalkung, also potenzielle Behandlungsziele, sind miR-29a/b, miR-30d/e, miR-125b, miR-135a, miR-143, miR-145, miR-204, miR223 und miR-762 [107]. Die meisten dieser microRNAs zielen auf die beiden wichtigsten Transkriptionsfaktoren Runx2 und Osx ab, die die Aktivität der TNalkalischen Phosphatase und die Biomineralisierung beeinflussen. Zweifellos,microRNAsspielen eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Fortschreitens vonGefäßverkalkung; jedoch die hohe Häufigkeit vonmicroRNAserfordert ausgedehnte groß angelegte epigenomweite Studien, um das Potenzial voll auszuschöpfenepigenetischRegulierung durchmicroRNAsfür neue therapeutische Ansätze zur VerbesserungGefäßverkalkung.

Bromodomäne und extraterminale Hemmung Die Bromodomäne und extraterminalen (BET) Proteine ​​BRD2, BRD3, BRD4 und BRDT sind Chromatin-Reader, die nicht nur acetyliertes Lysin an Histonschwänzen und Transkriptionsfaktoren über die Bromodomänen 1 und 2 binden, sondern auch die Transkriptionsmaschinerie rekrutieren, um die Genexpression zu regulieren [108]. BET-Inhibitoren (BETi) blockieren die Interaktion von BET-Proteinen mit acetylierten Histonen oder Transkriptionsfaktoren, um die Expression von Zielgenen zu beeinflussen [88& ].Apabetaloneist ein oral verfügbares BETi in der klinischen Entwicklung zur Behandlung vonHerz-Kreislauf Erkrankung. Es bindet vorzugsweise die Bromodomäne 2 in BET-Proteinen (Abb. 4), was es von pan-BETi unterscheidet, die die Bromodomänen 1 und 2 mit gleicher Affinität angreifen [109]. In klinischen Studien,apabetaloneBehandlung reduziert schwere unerwünschte kardiale Ereignisse (MACE) bei Patienten mitHerz-KreislaufErkrankungund war mit einer Reduktion des relativen Risikos um 44 Prozent zusätzlich zum Behandlungsstandard verbunden [110& ]. Die Reduktion von MACE nach Alphabet allein war mit einer Reduktion der alkalischen Phosphatase im Serum verbunden, unabhängig von traditionellen kardiovaskulären Risikofaktoren und Entzündungen [111& ]. Studien zeigten, dass dieses Medikament gleichzeitig Faktoren modulierte, die die Stabilisierung atherosklerotischer Plaques und die MACE-Reduktion fördern. HDL-Cholesterin stieg an [110&,112], während die Komplementkaskade, Akute-Phase-Reaktion und Mediatoren der Gefäßentzündung unterdrückt wurden [113,114].

ABBILDUNG 4. Chromatinacetylierung ist eine epigenetische Modifikation, die mit einer offenen Chromatinstruktur und aktiver Transkription verbunden ist. Bromodomäne und extraterminale Proteine ​​sind „Chromatin-Reader“, die acetyliertes Lysin an Histonen oder Transkriptionsfaktoren über zwei Tandem-Bromodomänen 1 und 2 binden und die Transkriptionsmaschinerie (z. B. positiver Transkriptionselongationsfaktor und RNA-Polymerase II) rekrutieren, um die Expression von Bromodomäne und extraterminaler Sensibilität voranzutreiben Gene.Apabetaloneist ein oral verfügbarer niedermolekularer Inhibitor der Bromodomäne und der extraterminalen Bromodomänen, der die Freisetzung der Bromodomäne und der extraterminalen Proteine ​​aus dem Chromatin und als Folge davon eine Herunterregulierung der Bromodomäne und der extraterminalen empfindlichen Gentranskription bewirkt.Apabetalonezielt vorzugsweise auf die Bromodomäne 2 (dargestellt durch einen gelben Halo), eine Eigenschaft, die sie von der Pan-Bromodomäne und extraterminalen Inhibitoren unterscheidet, die die Bromodomänen 1 und 2 mit gleicher Affinität binden.

ImchronischNiereErkrankungPatienten mit einer Geschichte vonHerz-KreislaufErkrankung, Alphabet allein Behandlung verbessertNierenfunktionund reduzierte zirkulierende Werte der alkalischen Phosphatase [115]. Mechanistisch,apabetaloneherunterreguliertalkalischPhosphataseExpression in primären humanen Hepatozyten und VSMC [116& ] und als Folge reduzierte TNalkalische Phosphatase-Proteinspiegel und enzymatische Aktivität. Kleinmolekulare Inhibitoren vonalkalischPhosphatasewurden als Therapeutikum für bewertetGefäßverkalkung[14], jedochapabetalonekönnte das erste modifizierte Molekül im klinischen Stadium seinalkalischPhosphataseProduktion. In-vitro-,apabetaloneentgegen der Verkalkung von VSMCs, die unter osteogenen Bedingungen kultiviert wurden, durch eineepigenetischMechanismus, an dem BRD4 beteiligt ist, der die Induktion von prokalzifizierenden Genen, einschließlich RUNX2 und alkalisch, unterdrücktePhosphatase[116& ].

Eine Einzeldosis vonapabetaloneinchronisch NiereErkrankungPatienten im Stadium 4–5 führten schnell zu einer Reduktion zahlreicher entzündlicher Zytokine, einschließlich IL-6 [2]. In derselben Studie proteomische Profilerstellung von mehr als 1300 Plasmaproteinen prognostizierte die Aktivierung mehrerer Immun- und Entzündungswege bei Patienten mit BeeinträchtigungNiereFunktion, einschließlich Kernfaktor-kB (NF-kB), IL-6 oder knochenmorphogenetischer Proteinsignalisierung. Diese kanonischen Wege wurden mit einer Dosis Apabetalon herunterreguliert, was sich günstig auf das Fortschreiten der Nierenfunktionsstörung und der damit verbundenen Auswirkungen auswirken würdeGefäßverkalkung.

Cistanche kann sich verbessernNierenfunktionen.

Bromodomäne und extraterminale Hemmung bei metabolischen Knochenerkrankungen: Implikation für renale Osteodystrophie

Verschiedene präklinische Modelle metabolischer Knochenerkrankungen haben gezeigt, dass BETi die Knochenstruktur oder die mechanischen Eigenschaften nicht verringert und stattdessen das Knochenvolumen erhöhen und die mechanische Festigkeit wiederherstellen kann [117–120]. Diese Studien zeigen, dass die vorteilhaften Wirkungen von BETi auf Knochenerkrankungen sowohl auf entzündungshemmende Wirkungen als auch auf Knochenerkrankungen zurückzuführen sindepigenetischModulation von Schlüsselfaktoren beim Knochenumbau, einschließlich TN-alkalischPhosphatase. N-Methylpyrrolidon (NMP) ist ein von der US Food and Drug Administration zugelassener Arzneimittelhilfsstoff, der als bioaktives BETi identifiziert wurde [121]. Studien mit NMP in präklinischen Modellen der Knochendegeneration haben BETi als pharmakologische Strategie zur Vorbeugung oder Behandlung von Knochenerkrankungen positioniert, die durch übermäßige Knochenresorption gekennzeichnet sind. Zahlreiche Studien haben gezeigt, dass BETi durch TNFa und NF-kB vermittelte Entzündungsreaktionen unterdrückt [3,122–124]. NMP förderte das Wachstum von mineralisiertem Knochen, der durch TNFa blockiert war, und stellte die durch TNFa gehemmte Expression essentieller osteoblastischer Gene wieder her, einschließlichalkalischPhosphatase, RUNX2 und SP7/Osterix [125]. Darüber hinaus förderte NMP die Knochenregeneration durch Verstärkung der BMP2-Signalübertragung in Osteoblasten [126] und hemmte die Differenzierung von Osteoklasten, um die durch den Rezeptoraktivator des NF-kB-Liganden induzierte Knochenresorption abzuschwächen [127]. Es wurde gezeigt, dass NMP die Lebensfähigkeit von Osteoblasten während Hypoxie erhöht und der Hypoxie-vermittelten Herunterregulierung von Schlüsselgenen entgegenwirkt, die an der Mineralisierung beteiligt sind, einschließlichalkalischPhosphatase[128]. Mechanistisch war die NMP-Behandlung bei der Aufrechterhaltung der Osteoblastendifferenzierung während Hypoxie teilweise durch Hemmung der NF-kB-Signalgebung schützend. NMP bewahrte die Knochenmineraldichte und Knochenqualität bei ovariektomierten Ratten [121] und verbesserte im Wesentlichen die durch Östrogenmangel induzierte Osteoporose. Die Ergebnisse wurden in ähnlichen Studien mit N,N-Dimethylacetamid [127] oder dem wirksameren BETi JQ1 verifiziert, wo die Behandlung den durch Östrogenmangel induzierten Knochenschwund umkehrte [117]. Diese Daten implizieren, dass die BETi-Therapie die Knochenmasse erhöhen und den Knochenumsatz bei entzündlichen Knochenerkrankungen und möglicherweise in verbessern kannchronischNiereErkrankung.

FAZIT

Zirkulierende alkalische Phosphatase ist ein robuster und unabhängiger Risikomarker fürHerz-KreislaufErkrankungund Sterblichkeit in der allgemeinen Bevölkerung undchronischNiereErkrankung. Die allgegenwärtige Expression von alkalischer Phosphatase und ihre Beteiligung an mehreren damit verbundenen pathophysiologischen ProzessenHerz-KreislaufErkrankung, Knochenkrankheit,chronischNiereErkrankungProgression und kognitive Dysfunktion macht es geeignet für multifaktorielleepigenetischEingriffe. Positive Ergebnisse aus klinischen Studien mit dem neuartigen BETiapabetaloneimplizieren eine Rolle für alkalische Phosphatase als mögliches neuartiges kardiovaskuläres Behandlungsziel. Experimentelle Studien mit zusätzlicher BET ist undmicroRNAsdeuten auf ein breiteres therapeutisches Potenzial hinepigenetischModulation der alkalischen Phosphatase. Weitere Forschung ist erforderlich, um die alkalische Phosphatase definitiv als Zielwert für die klinische Behandlung festzulegen und die Wirkung einer Senkung der alkalischen Phosphatase im Serum auf spezifische Zielwerte auf die klinischen Ergebnisse aufzuklären.

Danksagungen

PM wird von ALF Grants Region O¨stergo¨tland, Schweden, unterstützt. KK-Z. wird durch die NIDDK-Zuschüsse R01- DK095668 und K24- DK091419 sowie philanthropische Zuschüsse von Herrn Harold Simmons, Herrn Louis Chang, Dr. Joseph Lee und AVEO unterstützt.

Finanzielle Unterstützung und Sponsoring

Keiner.

Interessenskonflikte

MH ist Mitglied des Nierenklinischen Beirats von Resverlogix Inc. und Mitarbeiter von Diaverum Sweden, AB. Er hat Beratungs- und Rednerhonorare von Resverlogix und Amgen erhalten. DG und EK sind Mitarbeiter von Resverlogix. KK-Z. ist Mitglied des Nierenklinischen Beirats von Resverlogix. PM hat keinen Interessenkonflikt im Zusammenhang mit diesem Artikel.

REFERENZEN UND LESEEMPFEHLUNG

1. Stenvinkel P, Larsson TE.Chronisches Nierenleiden: ein klinisches Modell vorzeitiger Alterung. Am J Kidney Dis 2013; 62:339–351.

2. Kooman JP, Kotanko P, Schols AM, et al.Chronisches Nierenleidenund vorzeitige Alterung. Nat Rev Nephrol 2014; 10:732–742.

3. Wasiak S, Tsujikawa LM, Halliday C, et al. Nutzen vonapabetaloneauf Plasmaproteine ​​bei Nierenerkrankungen. Niere Int. Repräsentant 2018; 3:711–721.

4. Millan J. Säugetieralkalische Phosphatase: von der Biologie zu Anwendungen in Medizin und Biotechnologie. Weinheim: Wiley; 2006.

5. Buchet R, Millan JL, Magne D. Multisystemische Funktionen vonalkalische Phosphatasen. Methoden Mol Biol 2013; 1053:27–51.

6. Anh DJ, Eden A, Farley JR. Quantifizierung von löslichen und skelettalenalkalische Phosphatase, und unlöslichalkalische PhosphataseAnker-Hydrolase-Aktivitäten in Humanserum. ClinChim Acta 2001; 311: 137–148.

7. Anh DJ, Dimai HP, Halle SL, Farley JR. Skelettalkalische PhosphataseAktivität wird hauptsächlich von menschlichen Osteoblasten in einer unlöslichen Form freigesetzt, und die Nettofreisetzung wird durch Calcium und Skelettwachstumsfaktoren gehemmt. Kalkgewebe Int 1998; 62:332–340.

8. Magnusson P, Sharp CA, Farley JR. Unterschiedliche Verteilungen menschlicher Knochenalkalische PhosphataseIsoformen in Serum- und Knochengewebeextrakten. ClinChim Acta 2002; 325:59–70.