Adobe Systems Zápatí prezentace 1 Nutricí podmíněná onemocnění, příklady vzácných onemocnění i onemocnění komplexních, základní etiopatogeneze těchto poruch Julie Dobrovolná Adobe Systems Zápatí prezentace 2 Tuková tkáň ̶ Adobe Systems 001 002 006 007 WAT BAT For letter symbols, see slide 36 Adobe Systems White adipocyte Unilocular (à 200µm) Storage and mobilization of lipids(+++) Mitochondria (+) Beta oxidation (+) Respiratory chain (+) UCP1 (0) PGC-1a (+) Brown adipocyte Baby_crawling Multilocular Storage and mobilization of lipids (++) Mitochondria (+++) Beta oxidation (+++) Respiratory chain (+++) UCP1 (+++) PGC-1a (+++) Adopted from prof. D. Langin, Physiopathology of obesity and current theories on the association between an excess of fat mass and insulin resistance U savců nacházíme dva typy tukové tkáně – bílou a hnědou tukovou tkáň. Tyto tkáně se liší funkčním, morfologickým i molekulárním fenotypem. V rámci BAT je energie uvolněna do okolí prostřednictvím odpojení oxidace mastných kyselin od syntézy ATP prostřednictvím uncoupling proteinu 1, který je zásadně důležitý pro regulaci tělesné teploty a je důležitý i pro udržování konstantní tělesné hmotnosti. Hnědá tuková tkáň se stala atraktivním cílem experimentálních farmakologických zásahů za účelem léčby obezity, jelikož nedávno bylo pomocí PET prokázáno, že i u dospělého člověka se udržují okrsky vysoce aktivní BAT, která se mohou navíc zvyšovat následkem stimulace chladem či adrenergní stimulace. U hlodavců i lidí se navíc nachází i přechodný fenotyp – BAT-podobné adipocyty, které se označují také jako béžové. Tyto buňky exprimují UCP-1, typický znak BAT adipocytů, mají multilokulární charakter a jsou indukovatelné prolongovanou beta adrenergní stimulací. Adobe Systems Hypertrophy and hyperplasia Angiogenesis Inflammation Macrophages Mature adipocytes Preadipocytes Endothelia Mature adipocytes Preadipocytes Adipose tissue – there is more than just pure differentiation Adopted from prof. D. Langin, Physiopathology of obesity and current theories on the association between an excess of fat mass and insulin resistance Z hlediska adaptace je zásadní schopnost tukové tkáně pojímat v určité formě energii a ve vhodných situacích ji uvolňovat. Tato schopnost se ovšem liší i v závislosti na lokalizaci tukové tkáně a nazývá se EXPANDIBILITA. Obecně platí, že podkožní tuková tkáň má tuto schopnost nižší než viscerální (periorgánový) tuk. Navíc dále platí, že existuje velmi silná korelace mezi množstvím viscerálního tuku a množstvím lipidů v játrech. Diskordance zdravotního stavu mezi identickými dvojčasty lze napříkldat částečně vysvětlit odlišým stupněm ukládání lipidů v játrech, které může být ovlivněno např. expozicí polutantům z vnějšího prostředí. WAT se může rozšiřovat dvěma způsoby: zvětšením velikosti buněk (hypertrofie) či jejich počtu (hpyerplazie). Zvětšování WAT v mezenterické oblasti je predominantně hyperplastického charakteru, zatímco tuku v podkožní oblasti spíše hypertrofuje. Co je zodpovědné za tyto rozdíly, není jasné, jak může anatomická lokalizace tuku ovlivnit jeho expandibilitu? Z toho pohledu lze tuk ve viscerální oblasti považovat za unikátní depot se změněným stupněm expandibility a zvýšeným prozánětlivým profilem. Metabolismus glukózy a lipidů navíc ve viscerálním, podkožním a perigonadálním tuku podléhá jiným regulačním mechanismům. Adobe Systems Adipocytes à Adipokines Stromal vascular fraction cells à cytokines & chemokines Monocyte chemoattractant protein 1 (MCP1) Macrophage inflammatory protein (MIP) Tumor necrosis a (TNFa) Interleukins 1b, 6, 8, 10, …. Chemokines Resistin Apelin … Leptin Adiponektin Serum amyloid Retinol binding protein 4 (RBP4) Apelin FIAF/PGAR Cellular origin of secreted molecules Adopted from prof. D. Langin, Physiopathology of obesity and current theories on the association between an excess of fat mass and insulin resistance Adobe Systems Hypertrofie adipocytů a přetížení lipidy Aktivace a Infiltrace makrofágů êAdiponektin TNF-a MIP-1a MCP-1 další MCP-1 MIP-1a další TNF-a další TNF-a MCP-1 IL-1b další NEFA další HYPERTROFICKÝ ADIPOCYT ADIPOCYTY NEFA ê Leptin ê Cytokiny ê preadipocyt Komunikace mezi buňkami Adobe Systems Homeostatický stres Přejídání Akutní zánět Inzulínová rezistence Posun bodu homeostázy Rezistence vůči katecholaminům Spouštěč Fyziologická odpověď Patologická odpověď Adobe Systems blanc) Triglyceridy CL Mastné kyseliny DGAT CD36 FAT ASP LPL VLDL Mastné kyseliny ATP NH2 2-AR 1- 2- 3- AR AC cAMP PKA 5' AMP NH2 Gi Gs Perilipiny HSL HSL ALBP P Pyruvát Glukóza Glukóza- 6-P Glycerol-3-P GLUT4 Acetyl-CoA Mastné kyseliny GLUT4 PDE 3B IR IRS PI3-K PKB Metabolismus mastných kyselin a glukózy ve WAT ATGL Choroby plic Poruchy plicních funkcí Obstrukční spánková apnoe Syndrom hypoventilace Nealkoholická steatóza jater steatóza steatohepatitida cirrhosa Ischemická choroba srdeční Diabetes Dyslipidemie Hypertenze Gynekologické poruchy amenorrhea infertilita Syndrom polycystických ovarií Osteoartróza Kůže Choroby močového měchýře Nádory Prsu, dělohy, děložního čípku, střeva, jícnu, pankreatu, prostaty, ledviny Zánět žil venostáza Dna Idiopatická intrakraniální hypertenze Mozková mrtvice Katarakta Závažná pankreatitida Komplikace obezity Role adipokinů a cytokinů u komplikací obezity IL-6 TNF-a Játra Utilizace glukózy Kosterní sval makrofágy Další cílové tkáně Ateroskleróza cév, hypertenze Secretované látky : Leptin Adiponektin RBP4 TNF-a, IL-6… Nealkoholická CRP steatohepatitida PAI1 Viscerální tuková tkáň Podkožní tuková tkáň Komplikace obezity Intolerance glukózy Inzulínová rezistence a2-AR, HM74A, A1 receptor, EP3 receptor, Y1 receptor PKA PDE-3B FFA b1/2-AR, další ? triglycerides PKG Receptor pro ANF-A cGMP ALBP-FA GC HSL IRS PI3-K PKB Inzulínový receptor blanc) ? glycerol AMPK MGL Aquaporin 7 ? Lipolýza ve WAT u člověka Pharmacol. Res. 2006 53:482-91 Schematic representation of basic steps in lipogenesis and lipolysis in the adipocyte. To simplify the figure, only mechanisms that are primary targets of maternal nutrition manipulation have been represented. Triacylglycerol (TG) circulates in blood in the form of lipoproteins. Free fatty acids (FFA) that are released from lipoproteins, catalysed by lipoprotein lipase (LPL), diffuse into the adipocyte. Intracellular FFA are converted to fatty acyl-CoA and are then re-esterified to form TG using glycerol-3 phosphate (glycerol-3P) that is generated by glucose metabolism. FFA may also originate from acetyl-CoA (de novo lipogenesis) driven by the lipogenic enzymes acetyl-CoA carboxylase (ACC) and fatty acid synthase (FAS). Lipolysis occurs via a cAMP-mediated cascade, which results in the phosphorylation of hormone-sensitive lipase (HSL), an enzyme that hydrolyzes TG into FFA and glycerol. These FFA are then free to diffuse into the blood. Insulin enhances the storage of fat as TG by increasing LPL and lipogenic enzyme activities. It also facilitates the transport of glucose by stimulating the GLUT4 glucose transporter. In addition, phosphorylation and activation of cyclic nucleotide phosphodiesterases 3B (PDE3B) is a key event in the antilipolytic action of insulin, decreasing cAMP levels in adipocytes. By contrast, leptin presents antilipogenic and lipolytic effects by suppressing expression and activity of lipogenic enzymes and PPARG. Noradrenaline released from the sympathetic autonomic nervous system binds β-adrenoreceptor (β-AR) and activates lipolysis. Prolonged exposure to glucocorticoids (GC) that bind intracellular glucocorticoid receptor (GR) enhances adipogenesis. This may be due either to an increase in circulating GC and/or to an increase in intracellular 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 1 (11β-HSD1) activity that predominantly converts inactive cortisone to active corticosterone, thus amplifying local GC action. Pancreas Po jídle Nalačno Triglyceridy Koordinace regulace ukládání/mobilizace tuků ve WAT u člověka Triglyceridy LPL Glut4 Glukóza Glycerol 3-fosfát Mastné kk + Glycerol Do jater Do jater, do svalu Insulin Esterifikace Mastné kk + + + Lipázy - Katecholaminy ANP, BNP + Rozdíly v osudu mastných kyselin mezi WAT a BAT FA FA Glycerol Lipolýza FA esterifikace FA Glycerol Triglyceridy FA Glycerol-3P FA Glycerol FA b oxidace FA Glycerol Triglyceridy Bílý adipocyt Hnědý adipocyt Glycerol-3P Glukóza, AMK, laktát pyruvát Lipolýza FA esterifikace FA Glycerol, glukóza FA Adobe Systems 1, 2, 3 cAMP PKA A C Gs Plazmatická membrána Mitochondriální biogeneze (PGC1) Transkripce UCP1 Lipolýza (FA) UCP1 aktivace b oxidace Adrenergní kontrola metabolismu hnědých adipocytů Working hypothesis: lipolytic agents are potential activators of thermogenesis in brown adipocytes. Lipolysis is an essential prerequisite for thermogenesis in brown and brite adipocytes. We therefore hypothesize that any pro-lipolytic stimulus potentially activates thermogenesis in these cells. Free fatty acids (FFAs) released from lipid droplets as a result of lipolysis act as both fuel for mitochondrial β-oxidation and activators of the uncoupling protein 1 (UCP1). UCP1 is a unique feature of brown and brite adipocytes located in the inner mitochondrial membrane. Upon activation by FFAs, UCP1 uncouples oxygen consumption from adenosine triphosphate (ATP) synthesis by allowing protons (H^+) to reenter the mitochondrial matrix without generating ATP. Thus, the chemical energy of nutrients is dissipated as heat. Extracellular stimulation of lipolysis via the canonical adenylyl cyclase–cyclic adenosine monophosphate–protein kinase A (AC–cAMP–PKA) pathway not only leads to the phosphorylation of perilipin and hormone-sensitive lipase (HSL) but also induces Ucp1 gene expression. liver Mastné kyseliny, Adipokiny, Jiné peptidy Inzulínová rezistence Mediátory lipidové povahy, adipokiny Mastné kyseliny, Adipokiny, peptidy Diabetes, kardiovaskulární choroby Obezita Souhrn: … Adobe Systems 17 Stres a řízení organismu? = Úloha tukové tkáně? Adobe Systems LEPTIN WAT NADLEDVINA TŘETÍ KOMORA ARC PVN/LHA POMC NPY/AgRP OREXIN CRH CRH ACTH KORTISOL MÍCHA BAT TERMOGENEZE OSA „MOZEK – TUKOVÁ TKÁŇ“ Adobe Systems HYPOTHALAMUS ARC ARC VMN DMN PVN VMN DMN PVN LHA MCH CART RETINA LHA DYNORPHIN OREXINS CEREBRAL CORTEX LIMBIC SYSTEM THALAMUS PITUITARY GLAND GLUCOCORTICOIDS IL-6 INSULIN LEPTIN/ ADIPONECTIN/ TNFα, IL-6 GHRELIN ENDOCRINE GLANDS MUSCLE PANCREAS ADIPOSE TISSUE STOMACH/GUT Adobe Systems LEPTIN INSULIN BLOOD VESSEL NPY AgRP α-MSH MORE FOOD INTAKE LESS FOOD INTAKE α-MSH RECEPTORS OREXIGENNÍ-ANOREXIGENNÍ CESTY Adobe Systems ZÁKLADNÍ KOMUNIKACE MEZI NEURONY CRH NPY GHRELIN POMC Adobe Systems PVN PVN LHA MCH CART EPIPHYSIS WAT - lipolysis BeAT - BROWNING BAT – BROWNING, TERMOGENESIS ARC ARC VMN DMN VMN DMN LHA DYNORPHIN OREXINS ARC MÍCHA ENDOCRINE SIGNAL The most well-studied metabolic sensing region in the forebrain is the hypothalamus, where a number of nuclei such as the arcuate nucleus (ARC) and ventromedial hypothalamus (VMH) express high levels of receptors that bind adipokines (cell signaling molecules secreted by adipose tissue, such as leptin) and gut hormones. Central leptin resistance, one of the major causes of obesity, is caused by defective leptin sensing in these brain regions (Gautron and Elmquist, 2011). In the hindbrain, the nucleus tractus solitarius (NTS)–dorsal motor nucleus of the vagus (DMV) complex is the best-studied brain area with respect to detection of metabolic feedback, especially from the gastrointestinal system via vagal afferents or the circulation (Berthoud et al., 2006). Schematic overview of the hypothalamus–adipose axis (based on rat data) involved in food intake regulation and energy expenditure. In short, the arcuate nucleus (Arc) integrates peripheral endocrine signal via blood (such as leptin). Leptin acts on its receptor to modulate the expression and release of Arc appetite-regulating neuropeptides. Then, the Arc drives other hypothalamic areas such as ventromedial (VMN), dorsomedial (DMN) and paraventricular (PVN) nuclei (considered as satiety centres) and the lateral hypothalamic area (LHA; considered as a hunger centre). Coronal section shows the relative position of these nuclei with respect to each other through the hypothalamus. Circuits allowing communications between these neuronal populations are indicated by red arrows. Neuronal signal, especially from the PVN, modulates via the nucleus of the soli Adobe Systems 23 Stres a řízení organismu? = Co to vše znamená? Lze objektivně změřit stres? Jakou roli ve stresu hraje tuková tkáň? WAT/BAT BUŇKA LIDÉ/POPULACE Adipogeneze Lipolýza Hypetrofie/hyperplazie ØLeptin ØAdipokiny ØCytokiny ØChemokiny Øjiné Zdraví X Nemoc Integrace Epidemiologické studie – tělesné složení, incidence/prevalence fenotypů Signální dráhy buněk ve WAT, adipogeneze Crosstalk – WAT/BAT - sval Adobe Systems Adobe Systems Prenatální modelování „Škodlivé síly, zčásti psychické, zčásti fyzické, kterým je naše pozemská existence vystavována a které jsou dány škodlivými hybnými silami, nemusejí nutně mít potenciál způsobit vznik onemocnění či poškození zdraví člověka, onemocníme pouze tehdy, jestliže je náš organismus dostatečně poškozen a vnímavý vůči útoku těchto škodlivých si, které mohou být přítomny, a mohou způsobit změnu nebo poškození zdravotního stavu – tyto vlivy samy o sobě tedy nemusejí navodit u každého v každém okamžiku onemocnění“. C.F.S. Hahnemann Organon of Medicine 1810 Komplexní onemocnění (1810) Adobe Systems Komplexní onemocnění (1992) „Mnoho onemocnění, která tvoří základní zátěž systému veřejného zdravotnictví v západní společnosti, je způsobeno kombinací řady faktorů. Objevila se hypotéza, že variace v řadě různých genetických lokusů mohou způsobit jemné změny v úrovni genové exprese či funkce, čímž jedince predisponují k řadě moderních onemocnění, která tímto označujeme za komplexní, respektive multifaktoriální. Tyto genetické variace mohou interagovat s faktory okolního prostředí, čímž určují celkové riziko jedince pro rozvoj daného onemocnění.“ Prenatální modelování Talmud and Humphries Oxford Textbook of Pathology 1992 Adobe Systems Mendelian disorders and multifactorial traits: the big divide or one for all? Stylianos E. Antonarakis, Aravinda Chakravarti, Jonathan C. Cohen & John Hardy Nature Reviews Genetics 11, 380-384 (May 2010) Etiopatogeneze nemocí Prenatální modelování Vzácné alely způsobující nemoci s mendelovskou dědičností Varianty s nízkou frekvencí se středním efektem Vzácné varianty s nízkým efektem (velmi těžko identifikovatelné) Běžné varianty účastnící se rozvoje běžných onemocění (GWA studie) Běžné varianty s velkým efektem na běžné nemoci Frekvence alely VELMI VZÁCNÁ VZÁCNÁ S NÍZKOU FREKVENCÍ BĚŽNÁ NÍZKÝ VYSOKÝ MÍRNÝ STŘEDNÍ nrg2793-f1 50.0 3.0 1.5 1.1 0.001 0.005 0.05 v kontextu genů Celogenomové asociační studie jsou užitečné nástroje při identifikaci běžných variant přispívajících k dědičné součásti komplexních onemocnění. Naprostá většina takových variant má v nejlepším případě malý účinek, i když působí v rámci určité kombinace, a jejich celkový vliv na variabilitu populace i predikční robustnost pro odhad rizika onemocnění jsou malé. Existuje značný nesoulad mezi rozsahem celkové familiární agregace pozorované u mnoha běžných onemocnění a rozsahem metabolických odchylek, které lze přičíst dosud identifikovaným variantám. Např. u diabetu typu 2, zodpovídají známé varianty u evropanů společně za relativní riziko u sourozenců 1,07, což je významně pod úrovní empiricky stanovené relativního rizika sourozenců pozorovaného v epidemiologických studiích, které se blíží třem. Ačkoli identifikace dalších rizikových variant (jak ve známých lokusech, tak v zatím neidentifikovaných oblastech) může do určité míry tento deficit snížit, zdá se, že podle nejnovější hypotézy “chybějící dědičnosti” může být významná část “heritability” znaků přičtena genetickým efektům s intermediární penetrancí, které odolávají z velké části konvenčním přístupům populační genetiky komplexních chorob. Adobe Systems nrg2537-f1 Prenatální modelování Komplexní onemocnění GENOVÁ EXPRESE Microarray analýza hladin transkriptu v cílové tkáni GENOTYPOVÁNÍ Genome-wide genotypování SNP a dalších variant EPIGENETIKÉ MODIFIKACE NEGENETICKÉ EFEKTY Vlivy vnějšího prostředí RIZIKO VZNIKU NEMOCI ANALÝZA SÍTÍ INTEGRACE S CELOGENOMOVÝMI STUDIEMI eQTLs Asociace genetických markerků s genovou expresí Pokud si představíme hypotetickou variantu s frekvencí minoritní alely 1% a odds ratiem allely 3 a prevalencí onemocnění 5%, bude penetrance rizikového homozygota (45%) příliš nízká, aby podporovala představu mendelovské segregace a umožňovala detekci tradičními postupy. Nízká detekovatelnost minoritní alely se projeví i na úrovni celogenomových studií. Přesto bude mít tato varianta významný účinek na rodinné riziko, než většina ostatních alel determinujících vnímavost – relativní riziko pro sourozence vázané na daný lokus rovné 1,038 bude výrazně překračovat riziko spojené např. s TCF7L2 lokusem, který je silně asociován s diabetem a kde je toto riziko přibližně 1,025. Dá se očekávat, že nové technologie sekvenace, zejména sekvenování nové generace, výrazně přispějí k identifikaci a charakterizaci variant, které přispívají k vnímavosti k daným komplexním onemocněním. Prenatální modelování Nebo je to jinak? Spořivý epigenom? Prenatální modelování Mapy pro Barkerovu hypotézu Britský lékař David Barker si na mapě Británie povšiml zajímavé korelace: nejchudší oblasti Anglie a Walesu vykazovali nejvyšší incidenci srdečních onemocnění. Vzhledem k tomu, že vynikajícím parametrem zdraví populace je kojenecká mortalita/morbidita, rozhodl se u kohorty 15000 jedinců prozkoumat jejich zdravotní stav v kontextu jejich porodní hmotnosti. Povšiml si silného a neočekávaného vztahu mezi nízkou porodní hmotností v letech 1921-1925 a výskytem onemocnění srdce ve středním věku (1968-1978). Baker dospěl k závěru, že nedostatečná nutrice v peripartálním období měla za výsledek strukturální poškození srdce, které se manifestovalo později v dospělosti. Barker DJ: The origins of the developmental origins theory. J Intern Med. 2007 May;261(5):412-7. Velká pozitivní geografická korelace mezi standardizovanou novorozeneckou mortalitou 1921-1925 a výskytem nemocí srdce 1968-1978 Prenatální modelování Přehled stěžejních prací Barkera et al. Barker DJ et al: Infant mortality, childhood nutrition, ischaemic heart disease in England and Wales. Lancet. 1986 May 10;1(8489):1077-81 Barker DJ et al: Weight in infancy and death from ischaemic heart disease. Lancet. 1989 Sep 9;2(8663):577-80. Barker DJ et al. Fetal nutrition and cardiovascular disease in adult life. Lancet. 1993 Apr 10;341(8850):938-4 Možný vztah mezi ICHS a porodní hmotností Podvýživa matky v těhotenství vede k nízké porodní hmotnosti a následně zvýšenému riziku kardiovaskulárních onemocnění – fetální programování. Zásadní vliv na vznik onemocnění má nesoulad mezi prostředím, které dítě přes matku vnímalo během intrauterinního života a prostředím, ve kterém v postnatálním období žije. Offspring birth weights after maternal intrauterine undernutrition: a comparison within sibships. Lumey LH, Am J Epidemiol 1997; 146:810–819 ü Srpen 1944 – duben 1946, Amsterdam ü Období válečného hladomoru (zahrnovalo i holandský zimní hladomor) ü Podvýživa byla definována separátně pro každý trimestr těhotenství, přičemž za hraniční hodnotu byl považován denní příjem 1000 kalorií (4180 kJ) ü Rodinná anamnéza zahrnovala 437 rodin se dvěma sourozenci a 107 rodin se třemi sourozenci narozenými v letech 1960 až 1985 Porodní hmotnosti dětí, jejichž matky byly hladomoru vystaveny ve třetím trimestru, sníženy nebyly Prenatální modelování ü 437 rodin se dvěma sourozenci ü 107 rodin se třemi sourozenci ü narozeni v letech 1960 až 1985 Prenatální modelování Offspring birth weights after maternal intrauterine undernutrition: a comparison within sibships. Lumey LH, Am J Epidemiol 1997; 146:810–819 Normální vzestup porodní hmotnosti pozorovaný fyziologicky u dalších těhotenství téže matky nebyl pozorován u matek, které byly in utero vystaveny holandskému hladomoru, naopak, pozorovaný trend byl přesně opačný. Stav intrauterinní expozice matky hladomoru byl významným prediktorem rozdílů tělesné hmotnosti mezi sourozenci, ve všech modelech srovnávajících prvorozené a druhorozené sourozence. Ve všech kohortách byl efekt snižování hmotnosti u dalšího sourozence výraznější, což autoři považují za kombinaci vyšší porodní hmotnosti prvorozeného dítěte a následného poklesu porodních hmotností u dalších gravidit. Vrozené vs. získané charakteristiky V své knize z roku 1809 „Philosophie Zoologique“ uvádí Jean-Baptiste Lamarck, že každý druh čelí unikátnímu typu stimulace ze svého okolí. Tyto vlivy označil jako „nervová tekutina“. Podle Lamarcka může být tato nervová tekutina přenášena na jednotlivé potomky. Lamarkismus byl standardním vysvětlením některých mechanismů evoluce až do doby, kdy Charles Darwin a Alfred Russel Wallace přišli s teorií evoluce přirozeným výběrem v roce 1859. Revidovaná teorie neolamarkismu už nepřitáhla dostatečnou pozornost v rámci vědecké komunity. Jako obecně přijímaná teorie tedy dlouhou dobu platilo, že získané charakteristiky se nemohou dědit. Prenatální modelování Transgenerační dědičnost http://ecx.images-amazon.com/images/I/51ZQ0F3QBJL._SL500_AA300_.jpg http://ecx.images-amazon.com/images/I/51ZQ0F3QBJL._SL500_AA300_.jpg Prenatální modelování Fetální modelování Nongenomic transmission across generations of maternal behavior and stress responses in the rat. Francis D, Science 1999;286:1155–1158. Ztráta epigenetické odpovědi Ztráta fenotypické plasticity Onemocnění, věk, chování? Prenatální modelování SNP GENOTYP •genové polymorfismy •somatické/ zárodečné mutace PROSTŘEDÍ •strava •toxiny •intrauterinní prostředí •infekce •kouření •událost v časném postnatálním období •léky •… STOCHASTICITA EPIGENOTYPY •DNA-methylace •Modifikace histonů •malé RNA •Proteiny modifikující chromatin FENOTYP Aktivita různých metabolických enzymů Regulace genové exprese Jak? Epigenetické mechanismy v rámci modelování DNA metylace udržování DNMT de novo DNMT DNMT1 hemimethylovaná DNA Vazba na methylovanou DNA cestou URHF1 Nepřímá suprese miR-29b prostřednictvím SP1 DNMT3A DNMT3B Vazba cestou EZH2 a G9A (HMTs) Interakce s nukleozómy obsahujícími metylovanou DNA Přímá represe miR-29b DNMT3A vazba cestou HRR3me HDAC HMT HDM Kinase Phosp. Modifikace histonů Remodelace chromatinu HAT Acetylace Methylace Fosforylace HDAC1 a 2 mohou být vázány přes MeCP2 miR-449a má za cíl HDAC1 SET7 (HMT) reguluje DNMT1 stabilitu SETDB1 a Suv39h (HMTs) se vážou přes MBD1 KDM1B (HDM) je nutný pro maternální imprint LSD1 je podjednotkou komplexu NuRD H3S10ph blokuje H3K9me H3S10ph usnadňuje rozpoznání H3 přes GCN5 (HAT) JAK2 fosforyluje H3, s uvolněním HP1α SWI/SNF ISWI Mi-2 INO80 miR-9* a miR-124 zprostředkovávají switch BAF npBAF BRM se váže přes MeCP2 ISW2 vylučuje SWI/SNF z promotorů prostřednictvím změny polohy nukleozómů NURF rozpoznává H3K4me3 H4K16ac inhibuje remodelaci chromatinu cestou ISWI SET domény (HMT) rozpozná- vají ISWI-remodelované typy nukleozómů CHD5 exprese je reprimována metylací CpG ostrůvků MBD3 je integrální podjednotka Mi-2/NurD HDAC a 2 jsou integrální součásti Mi-2/NuRD SWR1 removes the H2AH2B dimmers and replaces them with H2A.Z-H2B dimmers p400 má HAT aktivitu H2Aph zvyšuje vazbu INO80 Mimo jiné … DNA Demetylace? Adobe Systems new_logo_nephro Braam B et al. (2007) Technology Insight: innovative options for end-stage renal disease—from kidney refurbishment to artificial kidney Nat Clin Pract Nephrol 3: 564–572 doi:10.1038/ncpneph0600 Prenatální modelování Kontinuální model vývojové plasticity Vývojová plasticita v čase Prenatální modelování Fetální modelování – fyziologický význam Fowden L et al. Endocrine and metabolic programming during intrauterine development. Early Human Development Volume 81, Issue 9, September 2005, Pages 723–734 SUBOPTIMÁLNÍ INTRAUTERINNÍ PODMÍNKY OSA HYPOTHALAMUS- HYPOFÝZA-SOMATOTROPNÍ HORMON OSA HYPOTHALAMUS- HYPOFÝZA-GONADOTROPNÍ HORMON OSA HYPOTHALAMUS- HYPOFÝZA-NADLEDVINY ENERGETICKÁ BILANCE & APETIT ENDOKRINNÍ PANKREAS DŘEŇ NADLEDVIN & SYMPATIKUS TUKOVÁ TKÁŇ GH GH IGF SYNTÉZA PROTEINŮ INSULIN INSULIN KATABOLISMUS PROTEINŮ POHLAVNÍ STEROIDY DYSLIPIDÉMIE INSULINOVÁ REZISTENCE TVORBA GLUKOSY GLUKOSOVÁ INTOLERANCE A HYPERGLYKÉMIE KORTIZOL LEPTIN GLUKAGON KATECHOLAMINY Diagram ilustrující vztahy mezi suboptimálními intrauterinními podmínkami, programováním endokrinních systémů během časného období po porodu a cirkulujícími koncentracemi hormonů a následným rozvojem metabolické dysfunkce. Endocrine systems in square boxes. Circulating hormones in ovals. Metabolic dysfunctions in ovoid boxes. (+) Positive effect; (−) negative effect. */^+ Hormones that appear twice on the diagram. Adobe Systems Hochberg Z et al. Endocrine Reviews 2011;32:159-224 ©2011 by Endocrine Society Prenatální modelování Fetální modelování – patofyziologie Deprivováno Přiměřené Prostředí během vývoje Prostředí v dospělosti Zdravý (match) Zdravý (match) Zvýšené riziko metabolického onemocnění (mismatch) Zděděný genotyp a fenotyp Překážky, např. podvýživa, přenastavení metabolických setpointů Mismatchové paradigma metabolického onemocnění. Vyvíjející se organismus vnímá environmentální stimuly zprostředkované matkou, jako je podvýživa, a to jak během prenatálního, tak zčásti postnatální života. Vývojová plasticita v rámci odpovědi na tyto podněty modifikuje nastavenou trajektorii metabolismu definovanou zděděným fetálním genomem a epigenomem podle toho, zda je okolní prostředí vnímáno jako adekvátní (tmavé pozadí) nebo neadekvátní (světlé pozadí), což má za následek úpravu metabolického nastavení. Pokud následně okolní prostředí, ať už adekvátní či deprivované, odpovídá predikci, je riziko metabolického onemocnění později v životě nízké. Jestliže mezi predikovaným a aktuálním obdobím ovšem nastane nesouladem, zejména v tom smyslu, že aktuální prostředí je na živiny bohatší než prostředí predikované, riziko metabolického onemocnění se zvyšuje. Adobe Systems Hochberg Z et al. Endocrine Reviews 2011;32:159-224 ©2011 by Endocrine Society Prenatální modelování Prenatální období adaptivní plasticity PRENATÁLNÍ PROSTŘEDÍ POSTNATÁLNÍ PROSTŘEDÍ ENDOKRINNÍ ŘÍZENÍ PLASTICITA PRENATÁLNÍ RŮST DĚTSTVÍ KOJENECKÝ VĚK DOSPÍVÁNÍ ADOLESCENCE PREMATURITA IC-PŘECHOD ADRENARCHÉ ZAČÁTEK PUBERTY VELIKOST PŘI PORODU VÝŠKA V DOSPĚLOSTI SLOŽENÍ TĚLA NEMOC V DOSPĚLOSTI PLODNOST, DÉLKA ŽIVOTA Období adaptivní plasticity v přechodu mezi jednotlivými výraznými fázemi ontogenetického vývoje. Prenatální růst ovlivňuje zdravotní stav i výskyt onemocnění v dospělosti. Přechod z kojeneckého věku do předškolního věku sebou nese prediktivní adaptivní odpověď, která determinuje výšku v dospělosti. Přechod z dětství do puberty sebou nese adaptivní odpověď, která ovlivňuje tělesné složení v dospělosti. Přechod z puberty do adolescence sebou nese adaptivní odpověď ovlivňující délku života a věk reprodukce. Adobe Systems Hochberg Z et al. Endocrine Reviews 2011;32:159-224 ©2011 by Endocrine Society Prenatální modelování Faktory vnějšího prostředí Programming Nemoci v pozdější životě ØIschemický choroba srdeční ØObezita ØDiabetes 2. typu ØHypertenze ØRakovina ØPsychiatrická onemocnění Konflikt s postnatálním prostředím Epigenomické změny Trvalé změny genové exprese Vliv na fenotyp v pozdějším životě Ac CH3 CH3 Ac CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 Ac Ac Ac CH3 Výživa Zdraví matky Stres Životní styl Funkce placenty Epigenomický model původu onemocnění Epigenotypový model vývojového původu onemocnění. Environmentální faktory působící během časné fáze života mají následky, které se mohou manifestovat zvýšeným rizikem onemocnění později v životě. Období života, ve kterém mohou externí faktory ovlivňovat biologické procesy, sahají od početí přes neonatální období až do časného dětství. Má se za to, že dítě dostává od matky informace o stavu vnějšího prostředí, do kterého se narodí a modifikuje svůj metabolismus a veškeré fyziologické procesy včetně trajektorie růstu tak, aby postnatálně maximalizovalo svoje šance na přežití. Tyto adaptace se nicméně mohou stát škodlivými, jestliže podmínky, do kterých se dítě narodí, se významně odlišují od podmínek očekávaných během prenatálního období. Tyto adaptace zahrnují metabolické i endokrinní změny, které mohou vést k celoživotním změnám ve fungování a struktuře těla – koncept zvaný programování. Epigenetické znaky mohou být modulovány environmentálními faktory, jsou dědičné a jsou podkladem změn genové exprese, které mohou přispívat ke vzniku onemocnění později během života. Prenatální modelování Mechanismy Potenciální mechanismus působení vnějších faktorů na ustanovení methylace DNA během vývoje Hochberg Z et al. Endocrine Reviews 2011;32:159-224 ©2011 by Endocrine Society THF 5CH3THF B12 DMG BETAINE CHOLINE METHIONINE SAM SAH HOMOCYSTEINE B6 CYSTATHIONINE DNMT C 5mC de novo aktivita methylasy de novo aktivita methylasy Časný vývoj Pozdější život RNA polymerase Cheryl Lyn Walker & Shuk-mei Ho; Nature Reviews Cancer 12, 479-486 (July 2012) Prenatální modelování Programing epigenomu Výhoda pro přežití potomstva Zvýšené riziko k metabolickému onemocnění Na živiny chudé prostředí během vývoje Na živiny chudé prostředí Na živiny bohaté prostředí Mismatch podruhé Plasticita epigenomu během vývoje umožňuje vyvíjejícímu se organismu tzv. preadaptaci na budoucí prostředí, což je zřetelná výhoda z hlediska přežití. V podmínkách, kde fetální prostředí neodpovídá prostředí dospělému, např. jestliže fetální vývoj v podmínkách špatné výživy (hladovění matky) je spojen s adultním prostředím bohatým na výživu – může následný růst typu „catch-up“ a diskordance mezi fetálním programováním a dospělým prostředím predisponovat k metabolickému onemocnění v dospělosti, včetně obezity a diabetu typu II. Prenatální modelování ADIPOKINY BUŇKA ORGANISMUS Epigenetické procesy: Ø DNA methylace/demethylace Ø acetylace histonů Ø remodelace chromatinu ØLeptin ØResistin ØAdiponectin ØOmentin ØVisfatin Ø… Zdraví X Nemoc Intermediární mediátory epigenetických regulací Adobe Systems nrc3220-f2 Prenatální modelování M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M M Expozice vnějšímu prostředí (xenoestrogeny) Vyvíjející se tkáň Dospělá tkáň Endogenní hormony Endogenní hormony Žádné hormony (kastrace) Žádné hormony (kastrace) Normální vzorec DNA methylace a genové exprese Hypermethylace (na hormony necitlivé) Hypermethylace (na hormony necitlivé) Hypomethylace, zvýšená citlivost k hormonům and zvýšení genové exprese Vliv endokrinních působků na epigenetické procesy Cheryl Lyn Walker & Shuk-mei Ho; Nature Reviews Cancer 12, 479-486 (July 2012) Programování epigenomu nastává primárně během vývoje, ačkoli některé epigenetické programy probíhají v odpovědi na změny vnějšího prostředí i později v životě, např. v pubertě. Následkem toho může být epigenetické reprogramování závislé na vnějších látkách, např. environmentální estrogenech, latentní až do doby kritického období vývoje, např. puberty. V reprodukčním traktu zvířat, která byla perinatálně exponována environmentálním estrogenům dochází k hypometylaci domény Hmgn5 (high-mobility group nucleosome-binding domain), což zvyšuje expresi této domény u dospělých zvířat. Naopak při chybění hormonu, např. při kastraci, zůstávají u dospělých zvířat neonatálně exponovaných environmentálním estrogenům tyto cílové geny hypermetylovány, což jejich expresi snižuje. Prenatální modelování Reprogramování U savců vznikají epigenetické znaky během dvou fázi ontogenetického vývoje. Nejdříve po fertilizaci a podruhé ve vyvíjejících se primordiálních zárodečných buňkách, což jsou prekurzory pozdějších gamet. Během fertilizace se spojují mužské a ženské gamety za vzniku zygoty, jejíž genomová konfigurace je odlišná. Epigenetické znaky muže jsou rychle ztráceny, protaminy spojené s mužskou DNA jsou nahrazovány histony z cytoplazmy mateřské buňky, z nichž většina je acetylována. Mužská DNA je poté u řady organismů systematicky demetylována. Měkteré epigenetické znaky, zejména metylace mateřské DNA, ovšem do určité míry tomuto reprogramování unikají. V primordiálních zárodečných buňkách dochází k intenzivnímu „rozpouštění“ eigenetických informací. Některé oblasti nicméně „rozpouštění“ mohou unikat. Pokud epigenetický znak unikne jak zygotickému přeprogramování, tak přeprogramování v primordiálních zárodečných buňkách, je možná transgenerační epigenetická dědičnost znaku. Prenatální modelování Retence a ztráta epigenetického znaku Buněčné mechanismy umožňují souběžný přenos některých epigenetických znaků. Během replikace pracují DNA polymerázy na vedoucích i vedených vláknech a jsou spojovány faktorem PCNA (proliferating cell nuclear antigen), který je dáván do souvislostí se vznikem imprintingu a interakce mezi vlákny, která je nutná pro správnost epigenetického znaku. Práce týkající se věrnosti kopie znaku daného modifikací histonů naznačují, že nové histony jsou postaveny na základě starých a nové i staré jsou pak rozřazovány mezi dceřinná vlákna DNA. Některé oblasti, jako jsou centromerické satelity, odolávají demetylaci, přičemž mechanismy této rezistence nejsou známy. Množství mutací na gen o délce 100 bazí je odhadováno na 10−7 za generaci, zatímco epigeny mohou “mutovat” několikrát za generaci, nebo mohou být naopak po řadu generací stabilní. To vede k otázkám: „mohou změny frekvence epigenu způsobovat evoluci?“ Rychlý ústup epigenetický účinků na fenotyp (trvající méně než tři generace) může vysvětlit reziduální variace fenotypů po zohlednění genotypu i prostředí. Odlišit tyto krátkodobé účinky od účinků mateřského prostředí v časném ontogenetickém období je ovšem v dané fázi nemožné. Prenatální modelování Děkuji za pozornost