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Gelten Enhancer und Silencer als epigenetische Modifikationen?

Gelten Enhancer und Silencer als epigenetische Modifikationen?


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Gelten Enhancer und Silencer als epigenetische Modifikationen? Ich bin verwirrt, da es so aussieht, als ob Enhancer und Silencer Sequenzen auf der DNA sind und wie sie durch die Bindung an Proteine ​​funktionieren, während epigenetische Veränderungen Veränderungen an den Basen zu sein scheinen, zum Beispiel das Hinzufügen einer Methylgruppe.


Nein.

Epigenetische Informationen sind (per Definition) NICHT in der Nukleotidsequenz enthalten, beeinflussen jedoch die genetische Expression.

Enhancer/Silencer sind selbst Nukleotidsequenzen und daher keine epigenetische Information.

Methylierung ist ein Beispiel für epigenetische Informationen, aber eine DNA-Sequenz selbst ist genetische Information, auch wenn sie ein Gen betrifft.

CgATgCCAg= Genetisch

Acetylierung eines Histons/DNA-Methylierung= epigenetisch

Ich hoffe, das hilft!

Weiterführende Literatur: http://www.whatisepigenetics.com/fundamentals/


Streng genommen sind Enhancer und Silencer selbst keine epigenetischen Modifikationen. Vielmehr handelt es sich um genetische Elemente, die die Genexpression durch ihre Interaktionen mit verschiedenen Proteinen direkt regulieren.

Eine epigenetische Modifikation ist eine chemische Veränderung von DNA-Basen, im Allgemeinen entweder durch Methylierung oder Acetylierung.

Enhancer- und Silencer-Sequenzen können und werden oft epigenetisch durch das Hinzufügen oder Entfernen dieser chemischen Gruppen verändert. Dies ist im Entwicklungsverlauf für viele Gene nicht ungewöhnlich, deren Expression in verschiedenen Entwicklungsstadien unterschiedlich reguliert werden muss. Enhancer und Silencer werden auch in verschiedenen Zelltypen epigenetisch reguliert, was es den Zellen ermöglicht, die gleichen Gene zu verwenden, die in jeder Zelle vorkommen, um unterschiedliche Zelltyp-Identitäten aufrechtzuerhalten.

Kurz gesagt, Enhancer und Silencer sind genetisch regulierende Elemente, die jedoch sehr oft epigenetisch modifiziert werden. Ich hoffe, das hilft.


Es gibt also bestimmte Kombinationen von Markierungen, die wir gefunden haben neigen um DNA-Regionen zu markieren, die die Expression von Reportergenen verstärken/stillen lassen, wenn wir sie in Plasmide stecken und Reportergen-Experimente durchführen. Die Leute definieren oft Regionen und nennen sie "Enhancer", indem sie allein diese biochemischen Markierungen verwenden, aber es ist eine Annäherung. Es gibt keine Garantie dafür, dass alle diese Regionen Verstärker/Schalldämpfer sein werden, und es gibt sicherlich keine Garantie, dass alle Verstärker/Schalldämpfer die Markierungen haben.


Epigenetik ist definiert als erbliche Veränderungen der Genaktivität und Expression, die ohne Veränderung der DNA-Sequenz (nicht in der Sequenz kodiert) auftreten und durch chemische Modifikation der DNA wie im Fall der Methylierung beeinflusst werden. Enhancer und Silencer sind DNA-Sequenzen, wie Gene, aber sie kodieren nicht für Proteine, sondern haben eine Genregulationswirkung. Ein Enhancer/Silencer kann methyliert und somit epigenetisch kontrolliert werden.


Zusammenspiel zwischen Notch-Signalgebung und epigenetischen Silencern bei Krebs

Angesichts seiner Rolle bei der Entwicklung und Selbsterneuerung vieler Gewebe überrascht es nicht, dass kürzlich eine herausragende Rolle für den Notch-Signaltransduktionsweg bei der Tumorentwicklung vorgeschlagen wurde. Wie genau die Notch-Hyperaktivierung die Onkogenese fördert, ist jedoch kaum bekannt. Neueste Erkenntnisse in Drosophila melanogaster haben den Notch-Weg mit der epigenetischen Stummschaltung und dem Tumorsuppressorgen in Verbindung gebracht Rb während der Tumorentstehung. Da aberrantes epigenetisches Gen-Silencing zur Pathogenese der meisten Krebserkrankungen beim Menschen beiträgt, könnten diese Ergebnisse einen neuen Schwerpunkt bieten, um zu verstehen, wie Notch mit Krebserkrankungen in Verbindung steht, und zur Entwicklung besserer selektiver Krebstherapien beizutragen. (Krebsres. 2006 66(18): 8931-4)

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  • Screening auf Krebsgene
  • DNA-Methylierung/Epigenetik
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MATERIALEN UND METHODEN

Datensätze

Unser erstes SVM-Modell wurde gebaut, um Enhancer zu erkennen, die in der Pilot-ENCODE-Region in unbehandelten HeLa-Zellen (25) gefunden wurden. Dies geschah, um die Leistung von ChromaGenSVM mit zuvor veröffentlichten Methoden (PM, HMM und CSI-ANN) zu vergleichen und auch seine Anwendbarkeit auf ChIP-Chip-Bibliotheken zu demonstrieren. Dazu werden die sechs verschiedenen ChIP-Chip-Chromatin-Modifikationskarten von Heintzman et al . (25) wurden sowohl in unbehandelten als auch in behandelten HeLa-Zellen verwendet. Dazu gehören das Kernhiston H3 (H3), die Acetylierung der Lysine 9 und 14 von Histon H3 (H3Ac), die Acetylierung der Lysine 5, 8, 12 und 16 von Histon H4 (H4Ac), die Monomethylierung von Lysin 4 von Histon H3 (H3K4Me1), die Dimethylierung von Lysin 4 von Histon H3 (H3K4Me2) und die Trimethylierung von Lysin 4 von Histon H3 (H3K4Me3).

Aus den ursprünglichen ENCODE-Daten leiteten wir einen positiven Klassensatz (genannt E1) mit epigenetischen Profilen ab, die in TSS-distalen Regionen zentriert waren (≥ 2,5 kb stromaufwärts und stromabwärts von TSS), die in p300-Bindung angereichert waren. p300 ist ein transkriptioneller Coaktivator, der durch Bindung an Transkriptionsfaktor-Aktivierungsdomänen wirkt, um dann Histonacetyltransferasen (HATs) in der Nähe spezifischer Nukleosomen in Zielgen-Promotorregionen zu positionieren ( 32 ) und sich an vielen aktiven Enhancern ( 25 ), aber nicht allen, lokalisieren lässt. Das E1-Set enthält 74 TSS-distale High-Confidenz-Peaks, wie in Heintzman . beschrieben et al . ( 25 ) (Zusatztabelle S1).

Ein zweites SVM-Modell wurde implementiert, um Enhancer aus 20 und 18 genomweiten ChIP-seq-Histon-Methylierungs- und -Acetylierungskarten vorherzusagen, die in menschlichen CD4 + T-Zellen erstellt wurden ( 33 ) (Ergänzende Tabelle S2). Die Methylierungs- und Acetylierungskarten wurden kombiniert, um den Enhancer-Prädiktor zu erstellen. Eine Reihe von positiven Klassenbeispielen (als E2 bezeichnet) wurde mit Regionen erstellt, die auch in der p300-Bindung in CD4 + T-Zellen angereichert waren, wie von Wang . beschrieben et al . ( 33 ). Der E2-Datensatz enthält 527 TSS-distale p300-Peaks (Zusatztabelle S3). Die Peakzentren wurden aus p300-Regionen ausgewählt, die weniger als 1 kb umfassen.

Für beide SVM-Modelle wurden die epigenetischen Profile der positiven Klassenbeispiele bei verschiedenen Fenstergrößen (1, 2,5, 5, 7,5, 10, 12,5 und 15 kb) berechnet. Tag-Reads wurden für jede Fenstergröße in 100 bp- und 200 bp-Bins gemittelt. Für jedes SVM-Modell wurde ein Hintergrunddatensatz (negatives Klassenbeispiel) erstellt, dessen Größe das 10-fache der Anzahl der p300-Peaks in E1 und E2 betrug. Hintergrundprofile wurden an zufälligen Chromosomenpositionen zentriert.

Support-Vektor-Maschinen

SVMs sind eine maschinelle Lernmethode mit breiter Anwendbarkeit auf viele Arten von Mustererkennungsproblemen. Da es eine ausgezeichnete Einführung in SVMs gibt ( 34 ), werden wir hier kurz SVMs in ihrer Anwendung auf unseren speziellen Fall beschreiben. In SVMs werden die Eingangsvektoren zunächst mittels einer Kernelfunktion auf einen Merkmalsraum (ggf. mit einer höheren Dimension) abgebildet. Dann wird eine Hyperebene erstellt, um die positiven und negativen Beispiele innerhalb dieses Merkmalsraums zu trennen. Nur relativ niedrigdimensionale Vektoren im Eingaberaum und Punktprodukte im Merkmalsraum werden durch eine Abbildungsfunktion entstehen. SVMs wurden entwickelt, um strukturelle Risiken zu minimieren, während andere Methoden des maschinellen Lernens, wie beispielsweise künstliche neuronale Netze (KNN), auf der Minimierung des empirischen Risikos basieren. Daher sind SVMs weniger anfällig für das Problem der Überanpassung und können daher in der Regel mit einer großen Anzahl von Funktionen umgehen. Es gibt mehrere wichtige Parameter in einer SVM, einschließlich der Kernelfunktion (und ihrer spezifischen Parameter) und der Regularisierungsparameter. Weder die Kernelfunktion noch die Regularisierungsparameter können aus dem Optimierungsproblem definiert werden, sondern müssen manuell abgestimmt werden. Dies kann durch Anwenden von Vapnik-Chervonenkis-Grenzen, Kreuzvalidierung, einem unabhängigen Optimierungssatz oder Bayes-Lernen (35) erfolgen. GA wurde verwendet, um die Auswahl der optimalen SVM-Hyperparameter durch Kreuzvalidierung zu automatisieren. Da Nukleosomen dynamisch zugewiesen werden und ihre Positionen in kleinen Locus-Bereichen oszillieren, ist es möglich, dass sich der Chromatin-Zustand an bestimmten Loci verschiebt (36). Daher versuchen wir, die Profil-/Spitzenerkennung zu verbessern, indem wir dem Gaußschen Kernel einen Verschiebungsterm hinzufügen. Auf diese Weise wurde die Ähnlichkeit zwischen den Profilen berechnet, indem Profile bei verschiedenen Verschiebungsschritten von 100 bis 1000 bp verglichen wurden. SVMs wurden unter Verwendung der Programmiersprache Python und der SHOGUN-Toolbox implementiert ( 37 ).

ChromaGenSVM

SVM-Modelle wurden zuerst trainiert, um die mit mutmaßlichen Enhancern der ENCODE-Region assoziierten Histon-Modifikationsprofile in unbehandelten HeLa-Zellen und dann in menschlichen CD4 + T-Zellen zu erkennen. Für jeden Datensatz wurden die diskriminierendsten epigenetischen Markierungen und Profilgrößen mit der in Abbildung 1 beschriebenen GA-Strategie ausgewählt. GAs sind stochastische Optimierungsmethoden, die von evolutionsbiologischen Prinzipien inspiriert wurden und als solche den Regeln der natürlichen Selektion unterliegen ( 38 ). Der relevanteste Aspekt von GAs ist ihre Fähigkeit, gleichzeitig nach vielen möglichen Lösungen zu suchen, von denen jede verschiedene Regionen im Parameterraum erforscht ( 39 ).

ChromaGenSVM-Workflow. Unterschiedliche SVM-Modelle werden unter Verwendung unterschiedlicher epigenetischer Markierungen, Profilfenstergrößen und SVM-Parameter, die durch GA-Regeln generiert werden, trainiert. Die optimalen SVMs werden durch Kreuzvalidierung nach 100 GA-Läufen ausgewählt.


Die Rolle epigenetischer Markierungen während der Entwicklung

DNA-Methylierung wird allgemein als repressive Modifikation angesehen und mit Gen-Silencing in Verbindung gebracht 8 . Es ist essentiell für die normale Entwicklung von Säugetieren und wird in allen Körperzellen benötigt (Abbildung 1). Bei Mäusen führt der Verlust der Erhaltungs-Methyltransferase Dnmt1 um den Tag E8.5-9 zu einer embryonalen Letalität 46 und Dnmt1-Mutantenembryonen zeigen nur

1/3 der normalen DNA-Methylierung. Dnmt1-defiziente Embryonen zeigen Rudimente der Hauptorgane, sind aber kleiner und der Embryo selbst erscheint entwicklungsverzögert 46 . Dnmt3b-Mutantenembryonen scheinen sich vor E9.5 normal zu entwickeln, zeigen jedoch später mehrere Entwicklungsdefekte und es werden keine lebensfähigen Embryonen gewonnen61. Im Gegensatz dazu können sich Dnmt3a-defiziente Mäuse bis zur Geburt entwickeln, werden aber runted und sterben etwa einen Monat nach der Geburt 61 . Unter Verwendung von Antikörpern gegen Methylcytosin sowie mehreren Locus-spezifischen DNA-Methylierungsassays wurde festgestellt, dass das väterliche Genom vor der ersten Spaltung aktiv demethyliert wird 41,52,64,73 . Das mütterliche Genom wird, vermutlich durch einen passiven Mechanismus, anschließend demethyliert 73 . Es gibt mehrere Ausnahmen von diesem vereinfachten Modell, einschließlich geprägter Gene und repetitiver Elemente 43 .

Das väterliche Genom wird vor der ersten Zellteilung der Zygote demethyliert, mütterlicherseits abgeleitete DNA wird nach mehreren Spaltungsteilungen demethyliert. Die De-novo-Methylierung findet in den Zellen der inneren Zellmasse (ICM) statt, die später zum Embryo differenzieren. Die Aufrechterhaltung der DNA-Methylierung behält die Methylierungsmuster bei, wenn differenzierte Zellen eine Mitose durchlaufen.

Die DNA-Methylierungswerte sind im Präimplantationsembryo 73 niedrig und es ist unwahrscheinlich, dass sie sich in Abwesenheit von Dnmt1 merklich ändern. Es ist daher nicht klar, warum die Dnmt1-Mutanten-Embryonen in der Lage sind, die Entwicklung einzuleiten und sich vor etwa dem Tag E8.5 zur Organogenese zu verpflichten. Eine bedingte Deletion von Dnmt3a führt zu Imprinting-Defekten in der Keimbahn und ahmt den Phänotyp von Dnmt3L-Mutanten nach, was auf eine Beteiligung von beiden hindeutet Enzyme im Prozess 42 . Die direkte Interaktion von Dnmt3a und Dnmt3L wurde kürzlich gezeigt 63 . In diesem Modell leitet Dnmt3L die de novo-Methylierung zu genomischen Stellen, denen die H3K4-Methylierung (me1, me2 und me3) fehlt. Es ist jedoch unklar, ob dieser Mechanismus außerhalb von Keimzellen anwendbar ist. Der Verlust einer der PRC2-Untereinheiten führt zu schweren Gastrulationsdefekten, was auf eine wesentliche Rolle bei der normalen Entwicklung hindeutet 26,60,67. Ähnlich wie bei mutierten PRC2-Mäusen verursacht der Verlust von PRC1-Komponenten wie Ring1b (Rnf2) einen frühen embryonalen letalen Phänotyp 32 . Bmi-1-Null-Mäuse zeigen mehrere hämatopoetische und neurologische Anomalien81. Zusammengenommen belegen diese Daten eindeutig die wesentliche Rolle, die DNA-Methylierung und Polycomb-vermittelte epigenetische Markierungen in der normalen Entwicklung spielen.


Aberrante DNA-Hypermethylierung

DNA-Methylierung bezieht sich auf die Addition einer Methylgruppe an die C5-Position von Cytosinresten in den CpG-Dinukleotiden, die durch eine Familie von DNMTs katalysiert wird. 16 Mehr als die Hälfte der menschlichen Gene enthalten erhöhte CpG-Dinukleotide, sogenannte CpG-Inseln. Ungefähr die Hälfte der CpG-Inseln befindet sich in Promotorregionen und exonischen Regionen, und die Promotor-CpG-Inseln sind überwiegend unmethyliert. 17 Während die Regulierung der DNA-Methylierung für die Entwicklung, Differenzierung und Zellerhaltung von Säugetieren essentiell ist, wird eine abweichende DNA-Hyper- oder -Hypomethylierung häufig in Genpromotorregionen bei verschiedenen Krebsarten beobachtet. 18 Aberrante DNA-Hypermethylierung führt zur Inaktivierung entscheidender Tumorsuppressorgene (Abb. 1b), und DNA-Hypomethylierung könnte zur Aktivierung von Onkogenen führen (Abb. 2). 19, 20 DNA-Methylierung wird nicht nur mit der Entwicklung und dem Fortschreiten der Krankheit in Verbindung gebracht, sondern soll auch ein Biomarker für die Früherkennung von Krankheiten sein. 2 Beim PC ist die DNA-Hypermethylierung die am besten charakterisierte Veränderung unter allen epigenetischen Modifikationen 20 und ist an Genen beteiligt, die mit DNA-Reparatur, Zellzyklus, Apoptose und Zelladhäsion assoziiert sind. 21 Wir haben repräsentative Gene aufgelistet, die im PC hypermethyliert sind (Tabelle 1).

Gen Chromosomenort Funktion Hypermethylierungshäufigkeit (%) Referenz
GSTP1 11q13 DNA-Reparatur 36–100 24-29, 32-34
MGMT 10q26 DNA-Reparatur 0–88 34-36, 38
CDKN2 9p21 Zellzyklus 0–66 34, 39-41
RASSF1 3p21 Zellzyklus 53–96 34, 42, 44, 45
APC 5q22 Wachstumsunterdrückung 27–90 34, 47
RARβ 17q21 Wachstumsunterdrückung 53–79 34, 38, 50
DCR1, DCR2 8p21 Apoptose 60 52
XAF1 17p13 Apoptose 35 55-57
TMS1 16p11 Apoptose 64 58-61
CDH1 16q22 Zelladhäsion 33–70 64-66
CD44 11p13 Zelladhäsion 32–78 34, 67-70

Hypermethylierung von DNA-Reparaturgenen

GST ist eine Familie von Enzymen, die für wichtige Prozesse wie Entgiftung und Vergiftung verantwortlich sind, um Zellen vor verschiedenen Xenobiotika zu schützen. 22 Es gibt fünf große GST-Klassen: Alpha, Mu, Pi, Sigma und Theta. 23 Unter diesen Klassen GSTP1 ist das früheste identifizierte Gen, das in menschlichen Prostatakarzinomgeweben hypermethyliert ist. 24 Eine Reihe ähnlicher Ergebnisse wurde in PC berichtet. GSTP1 Hypermethylierung ist die am häufigsten identifizierte epigenetische Veränderung beim PC, obwohl sie selten in normalem Prostatagewebe oder BPH-Proben gefunden wurde. 25, 26 Außerdem GSTP1 Hypermethylierung wurde bei PC gefunden, ebenso wie prostatische intraepitheliale Neoplasie. 27 GSTP1 Hypermethylierung in Prostataproben könnte als molekularer Biomarker für die Diagnose von Malignität verwendet werden, da die Hypermethylierung spezifisch in PC und prostatischer intraepithelialer Neoplasie nachgewiesen wird, nicht in normalen Geweben und BPH. 28 Darüber hinaus wurde nicht nur DNA aus Prostatagewebe, sondern auch DNA aus Körperflüssigkeiten von PC-Patienten wie Serum und Urin verwendet, um molekulare Biomarker zu untersuchen. 25, 29 Wu et al. zeigte, dass GSTP1 Hypermethylierung in Plasma-, Serum- oder Urin-DNA zeigte eine höhere Spezifität zur Diagnose von PC als Serum-PSA. 30 Zusätzlich Methylierung von GSTP1 und HOXD3 in Urinproben, die nach einer digitalen rektalen Untersuchung gesammelt wurden, zeigten einen positiven prädiktiven Wert zur Identifizierung eines klinisch signifikanten PC. 31 Es wird vorgeschlagen, dass ein nicht-invasiver DNA-Methylierungstest unter Verwendung von Körperflüssigkeiten in Kombination mit Serum-PSA und digitaler rektaler Untersuchung zum Nachweis von PC nützlich sein könnte. Vor kurzem wurde die Verwendung zirkulierender DNA im Plasma, ein neuer prognostischer Marker für das Gesamtüberleben oder die Behandlungsauswahl von CRPC-Patienten, identifiziert. 32, 33

In der Folge gab es sporadische Berichte über Hypermethylierung des MGMT Promoter-Region. 34, 35 MGMT entfernt nur Alkyladdukte aus der O6-Position von Guanin. 36 Ein Mangel an MGMT Expression wurde mit der Tumorgenese bei verschiedenen Krebsarten in Verbindung gebracht. 37 Außerdem Hypermethylierung der MGMT Promotorregion reduziert ihre Expression und ist mit der Karzinogenese verbunden. 36 Es gibt jedoch einige Berichte, die darauf hindeuten, dass die Methylierungsgrade der MGMT Promotor waren in PC relativ niedrig. 35, 38 Zur Überprüfung dieser Tatsachen sind weitere Untersuchungen erforderlich.

Hypermethylierung von Zellzyklusgenen

Das Tumorsuppressorgen, CDKN2A/p16, ist ein Inhibitor der Cyclin-abhängigen Kinase. CDKN2A wird häufig durch anomale genetische und epigenetische Ereignisse, einschließlich Promotor-Hypermethylierung bei vielen Krebsarten, inaktiviert. James et al. waren die ersten Forscher, die entdeckten, dass abweichende CDKN2 Hypermethylierung wurde in 60 % der PC-Zelllinien erkannt. 39 Nach dieser Entdeckung bestätigten mehrere Berichte diese abweichende Hypermethylierung anhand von PC-Proben, obwohl es einige Unterschiede in ihren Ergebnissen gab. 40, 41

Obwohl viele RAS-Effektoren als Onkoproteine ​​eine Schlüsselrolle in Signaltransduktionswegen spielen, ist RASSF1A als Tumorsuppressor bekannt. 42 RASSF1 bindet RAS GTP-abhängig und vermittelt die apoptotische Wirkung von onkogenem RAS. 43 RASSF1A wird bei vielen Krebsarten durch die Methylierung der Promotorregion zum Schweigen gebracht, und Kuzmin et al. identifizierten diese aberrante Methylierung zuerst in PC. 42 Fast gleichzeitig hat Liu et al. berichtet, dass die RASSF1 Die Promotorregion war bei aggressiven Prostatatumoren häufiger hypermethyliert als bei weniger malignen Tumoren. 44 Darüber hinaus RASSF1A DNA-Methylierung wurde nicht nur in Geweben, sondern auch in Körperflüssigkeiten wie Urin nachgewiesen, die als Biomarker verwendet werden könnten. 45

Hypermethylierung von Wachstumssuppressionsgenen

Mehrere Studien haben eine Hypermethylierung bekannter Tumorsuppressorgene berichtet APC und RARβ. APC unterdrückt den Wnt/β-Signalweg, der eine wichtige Rolle bei der Tumorentstehung, Embryonalentwicklung und Aufrechterhaltung der Gewebehomöostase spielt. 46 APC In mehreren Studien wurde eine Hypermethylierung beschrieben, außerdem eine abweichende Methylierung im APC Promotorregion wurde Berichten zufolge mit einer schlechten Prognose in Verbindung gebracht. 34, 47

RARs sind Mitglieder des nuklearen Hormonrezeptors. Es gibt drei verschiedene RAR-Paraloge: RARα, RARβ und RARγ. RARs bilden ein Heterodimer mit Retinoid-X-Rezeptoren und fungieren als Transkriptionsfaktoren. Diese Effekte werden durch die Stimulierung von Retinoiden, Derivaten von Vitamin A, verstärkt. Retinoide spielen eine zentrale Rolle bei der Entwicklung von Säugetieren, der Zelldifferenzierung und der Tumorsuppression. 48, 49 Unter den RARs ist RARβ ein bekanntes Tumorsuppressorgen in vielen Tumorarten. 50 RARβ wird häufig durch Hypermethylierung der Promotorregion in PC zum Schweigen gebracht. Zusätzlich zu APC, abweichend RARβ Methylierungsgraden korrelieren Berichten zufolge mit klinisch-pathologischen Merkmalen einer schlechten Prognose bei PC. 38

Hypermethylierung von Apoptose-bezogenen Genen

Der programmierte Zelltod oder die Apoptose spielt eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase, indem abnormale, beschädigte oder unerwünschte Zellen zerstört werden.Apoptose trägt zu einem hoch koordinierten Gleichgewicht von Zellwachstum, Zellproliferation und Zelltod während der Entwicklung normaler Zellen bei. Ein Versagen des Apoptoseweges könnte zu menschlichen Krankheiten, einschließlich Krebs, führen. Das Methylierungsprofil von Genen, die mit dem Apoptoseweg assoziiert sind, wurde weitgehend bei Brust-, Dickdarm- und Magenkrebs beschrieben, jedoch liegen nur wenige Daten zum Methylierungsprofil in Bezug auf PC vor. 51 Obwohl es bei der Apoptose zwei Hauptwege gibt – den intrinsischen und den extrinsischen Weg – DCR1, DCR2 und XIAP-XAF1 im intrinsischen Weg, und TMS1 im extrinsischen Weg, sind Ziele für die Promotor-Hypermethylierung in PC.

Aberrante Methylierung von DCR1 oder DCR2 trat bei 60 % der PC-Patienten häufig auf und war mit einer verbesserten Prognose verbunden. 52 XIAP ist ein Mitglied der IAP-Familie und besitzt die stärkste Fähigkeit, die Caspase-Aktivität und den Zelltod zu hemmen. 53 Liste et al. isolierten zuerst dieses Protein und identifizierten, dass XAF1 an XIAP bindet und dessen Funktion antagonisiert. 54 Der Verlust von XAFI Expression durch aberrante Promotormethylierung fördert die Funktion von XIAP und dereguliert den Apoptoseweg. XAF1 Hypermethylierung wurde bei vielen Krebsarten beschrieben 55, 56 und tritt Berichten zufolge bei 35 % der primären PC auf, jedoch nie bei BPH-Patienten. 57

TMS1 fördert die Caspase-8-abhängige Apoptose, 58 und es wurde berichtet, dass es bei vielen Tumoren, einschließlich PC, anomal hypermethyliert ist. 59-61 Das et al. hat gezeigt, dass es einen Rassenunterschied gibt TMS1 Methylierungsprofil zwischen weißen und schwarzen Populationen. Obwohl die Häufigkeit von TMS1 Hypermethylierung unterschied sich zwischen PC und BPH bei Schwarzen nicht, die Häufigkeit war bei PC etwa dreimal höher als bei BPH bei Weißen. 58 Diese Daten legten nahe, dass die Rasse die epigenetischen Veränderungen im Zusammenhang mit der Tumorentstehung beeinflussen könnte.

Hypermethylierung von Genen von Zelladhäsionsmolekülen

CDH1 ist ein wichtiges Mitglied der Cadherin-Familie, die für die kalziumabhängige Zelladhäsion wichtig ist. CDH1 spielt eine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der normalen epithelialen Integrität. Einige Studien berichteten, dass die Unterdrückung von CDH1 Expression korrelierte mit der Inzidenz von Krebs aufgrund einer Dysfunktion der Zelladhäsion. 62 Der Verlust der normalen epithelialen Integrität kann zur Tumorentwicklung und -progression führen. 63 Graf et al. zeigte zuerst, dass der Verlust von CDH1 Expression resultiert aus der Hypermethylierung der CDH1 Promotorregion in PC-Zellen. 64 Später bewiesen einige Berichte, dass der Verlust von CDH1 Die Expression ist auf die Hypermethylierung des Promotors zurückzuführen, und sein Hypermethylierungsstatus könnte mit einer Tumorprogression, einem schlechten krankheitsfreien Überleben und einem schlechten Gesamtüberleben verbunden sein. 65, 66

CD44 ist ein Zelloberflächen-Glykoprotein, das an Zellwanderungen, Zell-Zell-Interaktionen und Zelladhäsion beteiligt ist. Die Funktion von CD44 bei Krebs ist umstritten, da es eine Doppelfunktion als Tumorsuppressor sowie als Promotor der Tumorprogression und Metastasierung hat. 67 Bei PC wird angenommen, dass CD44 Tumormetastasen und die Unterdrückung von CD44 Expression ist mit einer schlechteren Prognose verbunden, 68, 69, was die Bedeutung von CD44 Hypermethylierung und Silencing bei PC-Progression. 70


HISTON-MODIFIKATIONEN ALS THERAPEUTISCHE MODALITÄT BEI DER DIABETISCHEN NEPHROPATHIE

Die menschliche Niere hat ein komplexes inneres Organsystem und besteht aus sehr unterschiedlichen Zelltypen, darunter Epithel-, Stroma- und Endothelzellen. 42 All dies muss in den frühesten embryonalen Stadien zu diskreten anatomischen und funktionellen Strukturen zusammengefügt werden. Die menschliche Niere entsteht aus einer embryonalen Struktur, die als Metanephros bekannt ist, das letzte der drei Ausscheidungsorgane (Pronephros, Mesonephros und Metanephros), das sich um den embryonalen Tag 10.5 aus dem intermediären Mesoderm entwickelt, nämlich das metanephrische Mesenchym (MM) und die Ureterknospe (UB). 43 Beim Eintritt in das metanephrische Mesenchym treiben Zellinteraktionen zwischen der UB und dem angrenzenden Mesenchym den Zusammenbau der funktionellen Niere voran. Gleichzeitig induziert das UB die Kondensation von MM-Zellen zum Cap-Mesenchym. Cap-MM-Zellen enthalten die Vorläufer/Stammzellen der Nephrone, die durch ihre Expression von identifiziert werden Sechs2. 43 Während die UB renale Sammelrohre hervorbringt, führt das kondensierte Kappenmesenchym zu einer Population von Stamm-/Vorläuferzellen, die einen Mesenchym-Epithel-Übergang durchlaufen, der von Nephronen ausgeht. 43 In der 34. Schwangerschaftswoche beim Menschen stellen die Nephron-Vorläuferzellen die Vermehrung ein und werden ohne Zellerneuerungs-/Replikationsfähigkeit enddifferenziert, und daher tritt in der erwachsenen Niere keine Nephronbildung auf, was der irreversiblen Natur von DN zugrunde liegt. 44 Histonmodifikationen sind eng mit der Nephrondifferenzierung verbunden. Nephron-Vorläufer weisen gleichermaßen angereicherte aktive und repressive Zeichen auf (H3K4me3, H3K9me3, und H3K27me). 45

Vor über einem Jahrzehnt zeigte die bahnbrechende Arbeit von Takahashi und Yamanaka 46, dass die ektopische Expression der wichtigsten Transkriptionsfaktoren Oct4, Sox2, Klf4 und c-Myc (OSKM-Cocktail) differenzierte Zellen auf Pluripotenz umprogrammieren kann. 46 Die induzierte Pluripotenz ist ein Prozess, der durch allmähliche Veränderungen in der epigenetischen Landschaft gekennzeichnet ist. 47 Zu verstehen, wie die Reprogrammierungsfaktoren das Zellepigenom verändern, um die Zellidentität zurückzusetzen, ist ein wichtiges Ziel für den Bereich der regenerativen Medizin. Eine erfolgreiche Reprogrammierung zur Induktion von Pluripotenz hängt weitgehend von der getreuen Umgestaltung der epigenetischen Zustände der Zelle ab, um die Genexpression zum Schweigen zu bringen und die für pluripotente Zellen charakteristische Transkriptionsmaschinerie zu aktivieren. Trans-Differenzierung, auch bekannt als Lineage Reprogramming, ist ein Prozess, bei dem sich eine Körperzelle in eine andere reife Körperzelle umwandelt, wobei der pluripotente Zustand umgangen wird. Kürzlich wurde eine Reihe von Säugerprogrammierungsstrategien beschrieben, d. h. Al-Hasani et al. 48 haben gezeigt, dass das Protein Paired Box (Pax) 4 sowie γ-Aminobuttersäure adulte α-Zellen (Glucagon) in Pankreasinseln in funktionelle β-ähnliche insulinproduzierende Zellen umwandeln in vivo. 49 Es wurde gezeigt, dass die epigenetische Modifikation mit dem DNA-Methyltransferase-Inhibitor 5-Aza-2’-desoxycitidin oder dem Histon-Deacetylase (HDAC)-Inhibitor Trichostatin A direkt zur Umprogrammierung von Nichtosteoblasten in funktionelle Osteoblasten beiträgt. 50,51 Kardiomyozyten wurden auch epigenetisch mit einer Kombination epigenetischer Medikamente umprogrammiert. 52 Fibroblasten konnten sich mit kardialen Transkriptionsfaktoren (Gata4, Mef2c und Tbx5) und epigenetischen Remodellierungsproteinen in Kardiomyozyten umwandeln. 53-55 Mehrere neuere Berichte haben die Differenzierung menschlicher pluripotenter Stammzellen in Populationen von Nephron-Vorläuferzellen, insbesondere Zellen des intermediären Mesoderms und des metanephrischen Mesenchyms, unter Verwendung der Transkriptionsfaktoren Osr1, Pax2 und Lhx1 gezeigt. 56 Kürzlich haben Hendry et al. 57 lieferte den ersten Nachweis einer direkten transkriptionellen Reprogrammierung in der Niere, wobei humane proximale Tubulus-abgeleitete Nierenepithelzellen (HK2) durch erzwungene Expression von sechs Faktoren zurück in einen embryonalen nicht-vorläuferähnlichen Zustand reprogrammiert wurden: Six1, Six2, Osr1, Eya1, Hoxa11 und Snai2. Ein effizienterer Ansatz wurde kürzlich von Vanslambrouck et al. 58 mit einem neuartigen induzierbaren piggyBac-Transposonsystem, das drei Reprogrammierungsfaktoren (Six1, Eya1 und Snai2) enthält, um die Reprogrammierung von adulten Nierenzellen zu Nephron-Vorläuferzellen mit Differenzierungskapazität zu induzieren. Eine andere Studie von Papadimou et al. 59 wandelten mit zellfreien Extrakten menschliche Stromazellen des Knochenmarks in Nierentubuli-ähnliche Zellen um und verbesserten nachweislich die Nierenfunktion bei Mäusen nach einer Nierenschädigung. Vor kurzem beschrieb eine andere Gruppe die erfolgreiche Reprogrammierung von Maus- und menschlichen Fibroblasten in renale tubuläre Epithel-ähnliche Zellen unter Verwendung von vier Transkriptionsfaktoren: Emx2, Hnf1b, Hnf4a und Pax8. 60 Es wurde gezeigt, dass diese induzierten Nierenepithelzellen Albumin durch Endozytose aufnehmen. Auch die Verabreichung von mesenchymalen Stammzellen (MSC) könnte eine zukünftige Behandlungsform für DN darstellen. In einem Streptozotocin (STZ)-Maus-Diabetikermodell verbesserte die Verabreichung von MSC die Nierenfunktion in einem Typ-1-DN-Rattenmodell sowie die Podozytenschädigung. 61,62 Zahlreiche genetische und epigenetische Faktoren, die die Morphogenese, Differenzierung und Reifung der Nieren regulieren, wurden durch jahrzehntelange Fortschritte in der Entwicklungsnephrologie identifiziert. Obwohl nephrogene Transkriptionsfaktoren umfassend untersucht wurden, sind die Mechanismen, durch die Chromatin-Remodeler die Aktivierung oder Repression von Transkriptionsnetzwerken modulieren, nicht gut verstanden. Angesichts der begrenzten Regenerationsfähigkeit der Niere sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Rolle epigenetischer Faktoren der Niere für ein besseres Verständnis des Prozesses der Nephrogenese sowie der gezielten Differenzierung oder Reprogrammierung aufzuklären. Mehrere Studien haben auch über die Verwendung von HDAC-Inhibitoren bei Ratten und Mäusen mit Diabetes berichtet, die einen renoprotektiven Nutzen zeigen. In einer Studie berichteten die Forscher, dass der Breitspektrum-HDAC-Inhibitor Trichostatin A die Hochregulierung von Aktin und Fibronektin der glatten Muskulatur und die Herunterregulierung von E-Cadherin abschwächte. 63 In einer anderen Studie wurde Vorinostat an STZ-diabetischen Ratten getestet und es wurde festgestellt, dass es die Tubuluszellproliferation, die glomeruläre Hypertrophie und die Nierenvergrößerung verringert. 64 Eine weitere wichtige Klasse von HDAC-Inhibitoren, Valproat, schwächte bei Injektion in STZ-diabetische Ratten die Nierenfibrose und die Tubuluszellschädigung ab. 65 Die Nieren-Organoid-Technologie in Kombination mit CRISPR/Cas9 bietet eine neuartige experimentelle Plattform für mechanistische Studien der Nierengenfunktion auf epigenetischer Ebene. Liuet al. 66 haben die CRISPR/Cas9-Gen-Editing-Technologie angepasst, um die DNA-Methylierung zu bearbeiten und spezifische Modifikationen mit chronischer Nierenerkrankung zu korrelieren. Zusammenfassend spielen sowohl genetische Faktoren als auch epigenetische Faktoren bei DN eine bedeutende Rolle. 67-70


Histonmodifikation

Die posttranslationale Modifikation der Histonproteine ​​ist ein Schlüsselmechanismus der epigenetischen Regulation der Genexpression. Die wichtigsten posttranslationalen Modifikationen, die mit Histonschwänzen verbunden sind, sind Methylierung, Acetylierung, Phosphorylierung, Ubiquitylierung und Sumoylierung. Abhängig von der Art der posttranskriptionellen Modifikationen, ihrer Position im Genom und ihren kombinatorischen Mustern sind Histonmodifikationen entweder mit aktiven oder repressiven Chromatinzuständen assoziiert. Die regulatorischen Proteine, die an der Modifikation von Histonproteinen beteiligt sind, die zum aktiven und stillen Chromatinzustand führen, sind die Gruppe der Proteinkomplexe der Trithorax-Gruppe (TrxG) bzw. der Polycomb-Gruppe (PcG) 27 . Darüber hinaus hat die kombinatorische und vergleichende Analyse globaler Profile von Histonmodifikationen drei diskrete Chromatinzustände definiert: aktiv, ausgeglichen und stumm 45-48 . Zum Beispiel ist der Mono-/Di-/Trimethylierungsstatus am Lysin-4-Rest (K4me1/me2/me3) von Histon 3 (H3) mit einer permissiven Genexpression verbunden. Andererseits ist die Trimethylierung an den Lysin-9- und -27-Resten (H3K9me3 und H3K27me) des H3-Proteins mit einer repressiven Genexpression verbunden. Darüber hinaus wird die Co-Lokalisierung von H3K4me3 und H3K27me3 auf einem bestimmten Promotor als „bivalente Domäne“ oder „bivalenter Chromatinzustand“ bezeichnet, der mit ausgeglichenen Chromatinzuständen in verschiedenen Zelltypen in Verbindung gebracht wurde 49 . Die H3K36me3-Modifikation wird entlang des aktiv transkribierten Genkörpers 50 verbreitet. Die Histonacetylierung ist für die Chromatinfunktion entscheidend und mit der aktiven Genexpression verbunden. Die Acetylierung der Histonschwänze wird durch zwei Schlüsselenzyme mit entgegengesetzter Funktion gesteuert, Histonacetyltransferasen (HATs), die eine Acetylgruppe an den Histonschwänzen hinzufügen, und Histondeacetylasen (HDACs), die die Acetylgruppe von den Histonschwänzen entfernen. Bemerkenswerterweise weisen mehrere Studien darauf hin, dass die Acetylierung des Lysin-27-Restes von H3-Histon mit aktiven Chromatin-Domänen und permissiver Transkription verbunden ist 51, 52 . Daher erfüllen Histonmodifikationen je nach genomischer Lage und Art der posttranslationalen Modifikation Schlüsselfunktionen in der Genregulation während der Entwicklung und Differenzierung von Zelllinien 45, 46, 49, 52 .


Epigenetische Reprogrammierung von Immunzellen bei Verletzung, Reparatur und Auflösung

1 Immunologie und Stoffwechsel, LIMES-Institut, Universität Bonn, Bonn, Deutschland.

2 Plattform für Einzelzellgenomik und Epigenomik am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen und der Universität Bonn, Bonn, Deutschland.

3 Genomik und Immunregulation, LIMES-Institut, Universität Bonn, Bonn, Deutschland.

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Hinweis zur Autorenschaft: Alle Autoren haben gleichermaßen zu dieser Arbeit beigetragen.

1 Immunologie und Stoffwechsel, LIMES-Institut, Universität Bonn, Bonn, Deutschland.

2 Plattform für Einzelzellgenomik und Epigenomik am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen und der Universität Bonn, Bonn, Deutschland.

3 Genomics and Immunoregulation, LIMES-Institut, Universität Bonn, Bonn, Deutschland.

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1 Immunologie und Stoffwechsel, LIMES-Institut, Universität Bonn, Bonn, Deutschland.

2 Plattform für Einzelzellgenomik und Epigenomik am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen und der Universität Bonn, Bonn, Deutschland.

3 Genomik und Immunregulation, LIMES-Institut, Universität Bonn, Bonn, Deutschland.

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Immunzellen spielen eine zentrale Rolle bei der Reaktion auf Verletzungen, woraufhin unter idealen Bedingungen Reparatur- und Auflösungsphasen nach einer anfänglichen akuten Entzündung die Homöostase wiederherstellen. Die Aktivierung und Reprogrammierung von Immunzellen erfordert transkriptionelle Veränderungen, die nur initiiert werden können, wenn epigenetische Veränderungen auftreten. In letzter Zeit hat die beschleunigte Entschlüsselung epigenetischer Mechanismen das Wissen über die epigenetische Regulation erweitert, einschließlich des Chromatin-Remodelings über große Entfernungen, der DNA-Methylierung, posttranslationaler Histonmodifikationen und der Beteiligung von kleinen und langen nicht-kodierenden RNAs. Epigenetische Veränderungen wurden mit Aspekten der Entwicklung, Aktivierung und Differenzierung von Immunzellen in Verbindung gebracht. Darüber hinaus wurden genomweite epigenetische Landschaften für einige Immunzellen, einschließlich geweberesidenter Makrophagen, und aus Blut stammende Zellen einschließlich T-Zellen etabliert. Die epigenetischen Mechanismen, die den Entwicklungsschritten von hämatopoetischen Stammzellen zu vollständig differenzierten Immunzellen zugrunde liegen, führten zur Entwicklung epigenetischer Technologien und zu Erkenntnissen über allgemeine Regeln der epigenetischen Regulation. Verglichen mit fortgeschritteneren Forschungsgebieten steckt die epigenetische Reprogrammierung von Immunzellen bei Verletzungen noch in den Kinderschuhen. Während die frühen epigenetischen Mechanismen, die die Aktivierung der Immunantwort auf Verletzungen unterstützen, untersucht wurden, ist über Auflösungs- und Reparaturphasen sowie zelltypspezifische Veränderungen weniger bekannt. Wir überprüfen wichtige aktuelle Erkenntnisse zur verletzungsvermittelten epigenetischen Reprogrammierung, insbesondere bei Schlaganfall und Myokardinfarkt. Schließlich veranschaulichen wir, wie wichtig Einzelzelltechnologien für das Verständnis der epigenetischen Reprogrammierung in den komplexen sequentiellen Prozessen nach einer Verletzung sein werden.

Aus einer ganzheitlichen Sicht ist das Immunsystem nicht nur für die Unterscheidung von Selbst und Fremd verantwortlich, sondern ist auch entscheidend an der Regulierung physiologischer Prozesse im gesamten Körper beteiligt, einschließlich der Gewebereparatur und -auflösung nach Verletzungen ( 1 ), ein Begriff, der mechanische Schäden, Exposition gegenüber Toxine, Temperaturschwankungen, emotionaler Stress und dramatische Ernährungsumstellungen. Unmittelbar nach der Verletzung nehmen Immunzellen die Störung wahr und leiten lokale und systemische Signale an andere Teile des Immunsystems (z. B. über Zytokine) weiter, um geeignete und verletzungsangepasste Effektorreaktionen zu induzieren. Als letzten Schritt reguliert und überwacht das Immunsystem die Reparatur und Auflösung der Bedrohung und stellt so die Homöostase wieder her (Abbildung 1). Diese hochintegrierten Prozesse, insbesondere in akuten Phasen nach einer Verletzung, werden oft als Entzündung beschrieben, aber wenn der Endpunkt nicht aufgehört hat, fördert eine anhaltende Entzündung chronische, niedriggradige Entzündungszustände, Fibrose oder Abszessbildung, die zu Krankheiten anstelle von Homöostase führen (2 – 5). Ein sich abzeichnendes Bild weist auf schnelle epigenetische Regulationsmechanismen als kritische Aktivatoren von Immunzellen hin, die an frühen Reaktionen auf Verletzungen beteiligt sind (6, 7). Über die epigenetische Reprogrammierung von Immunzellen in späteren Phasen, insbesondere während der Reparatur und Auflösung, ist jedoch viel weniger bekannt. Hier konzentrieren wir uns auf neuere Erkenntnisse zu epigenetischen Mechanismen, die an regulatorischen Immunprozessen während der späteren Phasen der Verletzungsreaktion beteiligt sind.

Immunzellaktivierung während verschiedener Phasen nach Gewebeverletzung. Geweberesidente Immunzellen, insbesondere γδT-Zellen oder residente Makrophagen, erkennen geschädigte Zellen bei Verletzung, z. B. über den NKG2D-Rezeptor bzw. TLRs. Aktivierte geweberesidente Zellen sezernieren lösliche Faktoren, die andere Immunzellen anziehen, wie z. B. proinflammatorische Zytokine (TNF-α, IFN-γ, IL-6 oder IL-1) zusammen mit Wachstumsfaktoren (PDGF, VEGF oder IGF-1) die die Vermehrung von Epithelzellen stimulieren. CXCL8, das von geweberesidenten Zellen als Reaktion auf die TLR-Aktivierung freigesetzt wird, zieht Neutrophile an, die in die Verletzungsstelle eindringen. Neutrophile produzieren antimikrobielle Moleküle, Zytokine und Wachstumsfaktoren wie VEGF-A, das andere Entzündungszellen wie Monozyten rekrutiert und Angiogenese und Gewebezellproliferation stimuliert. Rekrutierte Phagozyten reinigen beschädigte Gewebetrümmer durch Phagozytose und sezernieren verschiedene Zytokine, Proteasen und Wachstumsfaktoren, die die Gewebereparatur fördern.Sie erwerben zunächst eine proinflammatorische Funktion [klassisch aktiviert oder M(IFN-γ), Makrophagen] und können, wenn der Erreger beseitigt ist, in Richtung einer entzündungshemmenden Gewebereparatur [alternativ aktiviert oder M(IL-4), Makrophagen] in der repolarisiert werden Anwesenheit von Zytokinen, die von Immun-T-Zellen vom Typ 2 produziert werden. M(IL-4)-Makrophagen sezernieren Arginase, die Wachstumsfaktoren VEGF-A, PDGF und IGF und andere Moleküle. In der Auflösungsphase unterdrücken regulatorische T-Zellen die Immunantwort, indem sie IL-10 und TGF-β sezernieren. Darüber hinaus fördern Lipid-abgeleitete spezialisierte pro-auflösende Mediatoren aktiv die Beendigung, Auflösung und Reparatur von Entzündungen.

„Epigenetik“ wurde erstmals 1942 von C.H. Waddington ( 8 ), aber erst 2008 auf einem Cold Spring Harbor-Treffen einigte sich die wissenschaftliche Gemeinschaft auf die Definition: „Ein epigenetisches Merkmal ist ein stabil vererbbarer Phänotyp, der aus Veränderungen in einem Chromosom ohne Veränderungen der DNA-Sequenz resultiert“ ( 9 ). Heutzutage werden epigenetische Mechanismen nur wenig verstanden und beziehen sich normalerweise auf DNA-Methylierung, Histon-Modifikationen, nicht-kodierende RNAs (ncRNAs) und Chromatin-Zugänglichkeit und -Looping.

Die Chromatinstruktur ermöglicht (wenn „offen“) oder verhindert (wenn „geschlossen“) die Bindung der Transkriptionsmaschinerie an ein DNA-Segment, wodurch die Genexpression aktiviert oder zum Schweigen gebracht wird (Abbildung 2A). Die Zugänglichkeit von Chromatin wird daher verwendet, um Genregulationselemente wie Enhancer, Promotoren und Silencer zu definieren. An diesen Stellen sind verschiedene Histonmodifikationen angereichert. Im Allgemeinen findet sich Histonacetylierung an regulatorischen Elementen aktiver Gene, während H3K27-Trimethylierung (H3K27me3) regulatorische Elemente von stummgeschalteten Genen charakterisiert (10). Die H3K4-Methylierung (H3K4me) wird weithin als Zeichen der transkriptionellen Aktivität angesehen, kann aber je nach Lokalisation und Crosstalk mit anderen epigenetischen Modifikationen auch nicht exprimierte Gene markieren, z werden bei Stimulation leicht induziert, daher „bereit“ für die Expression ( 11 – 13 ). Während Promotoren in H3K4me3 angereichert sind, tragen Enhancer H3K4me1 (14). Histonmodifikationen können die Chromatinverdichtung beeinflussen oder Transkriptionsregulatoren rekrutieren. Sequenzierungsbasierte Techniken der nächsten Generation wie der DNase-I-Überempfindlichkeitsassay gefolgt von der Sequenzierung (DNase-Seq. ChIP-Seq Ref. 18 ) ermöglichen die Untersuchung der Chromatinzugänglichkeit und der Histonmodifikationsverteilung auf genomweiter und Einzelzellebene. Diese technologischen Fortschritte hatten einen enormen Einfluss auf Studien zur Kartierung und Entschlüsselung der Rolle von DNA-assoziierten Proteinen und zugänglichen DNA-Regionen bei vielen Zelltypen und Krankheiten.

Epigenetische Ereignisse in Immunzellen während einer Gewebeverletzung. (EIN) Mögliche Modi der epigenetischen Regulation, um die Funktion von Immunzellen abzustimmen. Links sind Mechanismen der Transkriptionsrepression wie geschlossenes Chromatin, DNA-Methylierung, repressive Histonmarkierungen oder die Hemmung langer nichtkodierender RNAs (lncRNAs) dargestellt. Rechts ist ein Locus mit aktiver Transkription dargestellt, einschließlich Verlust der DNA-Methylierung, offene Chromatinstruktur einschließlich zugänglicher Enhancer- und Promotorsequenzen, Aktivierung von Histonmodifikationen und Aktivierung von Transkriptionsfaktoren. Verschiedene Histonmarkierungen werden als farbige Punkte dargestellt. (B) Während der Aktivierung von Immunzellen führt die epigenetische Regulation zur Aktivierung früherer stiller Gene, während einige homöostatische Gene ausgeschaltet werden. Epigenetische Ereignisse während der Homöostase und Aktivierung von Immunzellen wurden experimentell untersucht, während die Aufklärung dieser Prozesse während der Reparatur und Auflösung noch ungeklärt ist.

Erste Hinweise darauf, dass externe Stimuli das Chromatin von Immunzellen beeinflussen, stammten aus Studien zur T-Zell-Aktivierung (19, 20), die das extrem kompakte Chromatin in naiven T-Lymphozyten enthüllten, das ihre Genexpression auf niedrigem Niveau begleitet. Antigenbegegnung induziert ein erhöhtes Kernvolumen, die Rekrutierung von Chromatin-Remodeling-Komplexen in die DNA, das Auftreten von losem Chromatin und die Aktivierung von Tausenden von Genen, einschließlich IL2 ( 19 – 21 ). Veränderte Histonmodifikationsmuster begleiten durchweg Aktivierungsprozesse verschiedener Immunzellen. Gene, die während des Übergangs vom naiven zum Keimzentrums-B-Zellen induziert werden, erhalten aktivierende Histonmarkierungen wie H3K4me und H3ac, während stillgelegte Loci diese Markierungen verlieren (22). In ähnlicher Weise sind H3K4me- und Histon-Acetylierung in Effektor- und Gedächtnis-T-Zellen an Loci erhöht, die mit Genen verbunden sind, die durch Aktivierung naiver CD8 + (23 – 26) und CD4 + T-Zellen (27) induziert werden. Umgekehrt verlieren Gene, die in Effektor-CD8 + -T-Zellen herunterreguliert werden, aktivierende Histonmarkierungen und gewinnen an unterdrückenden H3K27me3 an benachbarten Loci (25, 26, 28). Die naive Immunzellaktivierung verursacht auch Veränderungen der Chromatinzugänglichkeit, die weitgehend mit Veränderungen der Genexpression korrelieren (29 – 36). Dennoch gibt es Ausnahmen, am Beispiel von Fasl und Prf1, die bei CD8 + T-Zell-Aktivierung hochgradig induzierbar sind, aber keine signifikanten Veränderungen der Chromatinzugänglichkeit an benachbarten Loci zeigen ( 35 ). Die Beurteilung der Funktion einer offenen Chromatinregion erfordert eine Untersuchung der kollektiven Sicht auf an die Region gebundene Transkriptionsfaktoren und Ferninteraktionen. In Tregs, zum Beispiel, Foxp3 Geninduktion verursacht das Auftreten von sehr wenigen De-novo-Enhancern, aber Foxp3 bindet an bereits vorhandene offene Stellen in Foxp3-CD4 + -T-Zellen, was die Bedeutung der Enhancer-Nutzung durch Transkriptionsfaktoren veranschaulicht (37). Die LPS-Stimulation von Makrophagen induziert ein Toleranzprogramm, das proinflammatorische Gene zum Schweigen bringt, einschließlich IL6. Antimikrobielle Gene wie CNLP induzierbar bleiben ( 38 ). Unterschiedliche Chromatinzugänglichkeit und Histonmodifikationsmuster beider Genklassen bestimmen ihre Bereitschaft zur Reexpression. Das TLR4-Engagement geht dem Auftreten von H3K4me1-, H3K4me2- und H3K27ac-Peaks bei de novo (oder latenten) Enhancern voraus, diese werden aufrechterhalten und ermöglichen eine verstärkte Expression von Zielgenen bei sekundärer Stimulation ( 39 – 41 ). Interessanterweise prägt die Gewebeumgebung auch eine spezifische Chromatinsignatur in geweberesidenten Makrophagen (42).

Regulatorische Elemente können weit stromaufwärts der Transkriptionsstartstelle eines Gens lokalisiert sein und müssen durch Chromatin-Looping in physische Nähe zum Genpromotor gebracht werden, um die Genexpression zu beeinflussen. Es wird angenommen, dass die Interaktion zwischen regulatorischen Elementen die Rekrutierung der Transkriptionsmaschinerie erleichtert, daher ist das Chromatin-Looping ein weiterer epigenetischer Mechanismus, der die Genexpression reguliert (43). Ein klassisches Beispiel für eine solche Regulation innerhalb des Immunsystems ist die Rekombination von Antigenrezeptor-kodierenden Genen ( 44 ). Darüber hinaus reguliert das Chromatin-Looping die Expression verschiedener Zytokine in aktivierten T-Zellen, z Il4, Il5, und Il13 ( 45 , 46 ) sowie Ifng ( 32 ), Tnfa ( 47 ) und Il21 (48). Ebenso induziert die LPS-Stimulation von Makrophagen DNA-Schleifen an der IL1/IL36/IL37 Gencluster ( 49 ) oder Osteopontin (Spp1) Ort ( 50 ). Neuere genomweite Studien zur Chromatinkonformation in hämatopoetischen Zellen zeigten zelltypspezifische Interaktom-Signaturen ( 51 – 53 ) und damit Prozesse wie die Monozytendifferenzierung zu Makrophagen ( 54 ), die B-Zell-Aktivierung ( 29 , 55 ) und die T-Zell-Entwicklung ( 56 .). ) und Differenzierung ( 57 ) werden von einer genomweiten Reorganisation der Chromatin-Schleifen begleitet. Über die Dynamik der Chromatinwechselwirkung in verschiedenen biologischen Prozessen, einschließlich Verletzungen, ist noch viel unbekannt. Neue Technologien entstehen, um diese Fragen zu beantworten, einschließlich Hochdurchsatz-Chromosom-Konformations-Capture (HiC Ref. 58 ), Capture-C der nächsten Generation (NG Capture-C Ref. 59 ), Chromatin-Interaktionsanalyse durch Paired-End-Tag-Sequenzierung (ChIA -PET Ref. 60), proteinzentrische Chromatin-Konformationsmethode (Hi-ChIP Ref. 61) und Transposase-vermittelte Analyse von Chromatin-Looping (Trac-Looping Ref. 62).

DNA-Methylierung (das Vorhandensein von 5-Methylcytosin [5mC]), die bei Vertebraten hauptsächlich palindromische CpG-Stellen beeinflusst, kann auch eine Gentranskription verändern, z. B. durch Beeinflussung der Bindung von methylierungssensitiven Transkriptionsfaktoren (63, 64). Es ist allgemein anerkannt, dass die DNA-Methylierung eine unterdrückende Markierung ist, ihre Rolle ist jedoch noch nicht vollständig verstanden. Abhängig von seiner Position im Genom, der gewebespezifischen Verteilung und dem zellulären Kontext vermittelt es die Transkriptionsrepression, wurde aber auch mit der Genaktivierung in Verbindung gebracht (65). Beispielsweise wurden in Keimbahnzellen „atypische“ Promotoren gefunden, die mit 5mC und H3K4me3 angereichert sind, aber die Transkription vorantreiben (66). Ebenso induziert eine globale Hypomethylierung keine genomweite Aktivierung des Transkriptoms in primordialen Keimzellen (67). DNA-Methylierung kann auch im Nicht-CpG-Kontext (5mCH, wobei H für A, C oder T steht) in fast allen menschlichen Geweben auftreten ( 68 – 70 ). 5mCH ist in naiven T-Zellen in global hohen Konzentrationen vorhanden ( 71 ), seine Funktion ist jedoch weitgehend unbekannt. Jahrzehntelang galt die DNA-Methylierung als sehr stabile Modifikation. Mit der Entdeckung der zehn-elf-Translokation (TET) DNA-Dioxygenasen, die aktiv Methylgruppen von CpG-Stellen entfernen, indem sie 5 mC in 5-Hydroxymethylcytosin ( 72 ) und weiter in 5-Formylcytosin und 5-Carboxycytosin ( 73 , 74 ) umwandeln, und die jüngste Entwicklung von Sequenzierungstechnologien der nächsten Generation Durch genomweite Studien der DNA-Methylierung auf Einzelzellebene stellte sich heraus, dass der DNA-Methylierungs-Fingerabdruck reversibel und dynamisch ist ( 75 ). Die wichtige Rolle der DNA-Methylierung bei der Entwicklung und Aktivierung von Immunzellen ( 76 ) macht sie zu einem potenziellen therapeutischen Ziel für die Behandlung entzündungsbedingter Krankheiten. Das Deletieren oder pharmakologische Hemmen von DNA-Methyltransferasen (DNMTs) unter Verwendung von 5-Aza-2′-desoxycytidin verringert die Entzündung in Modellen für Atherosklerose und Fettleibigkeit ( 77 – 79 ). DNMT3B zielt auf den Promoter von PPARG, ein wichtiger Transkriptionsfaktor für die alternative Aktivierung von Makrophagen, der zu PPARG Suppression und damit ein zellulärer proinflammatorischer Zustand (79). In ähnlicher Weise führt ein TET-Mangel zu einer erhöhten IL-6- und IL-1B-Expression in aktivierten Makrophagen, was zu einer beeinträchtigten Auflösung der Entzündung führt (80 – 83), was auf eine Rolle der DNA-Methylierung bei der Makrophagenaktivierung hindeutet. Der Übergang von naiven B- und T-Zellen zu Effektor- und Gedächtniszellen beinhaltet auch eine DNA-Methylierung, da für die Effektorfunktionen verantwortliche Loci diese Markierung zunehmend verlieren (84 – 88). Darüber hinaus kann in γδT-Zellen der DNA-Methylierungsstatus der Ifng Locus kontrolliert die Fähigkeit, große Mengen an IFN-γ zu produzieren (89), während er in Tregs eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der Zellidentität spielt, indem er die Foxp3-Expression reguliert, die für die Entwicklung und Funktion von Tregs notwendig ist (90).

ncRNAs gehören zu einer ständig wachsenden Liste neu erkannter Genregulatoren. Diese regulatorischen RNAs werden nicht in Proteine ​​übersetzt, variieren in der Größe, werden von verschiedenen genomischen Stellen transkribiert und haben eine Vielzahl von Funktionen. Basierend auf diesen Merkmalen werden sie in verschiedene Klassen eingeteilt (91, 92). Die am besten charakterisierte Klasse von ncRNAs sind kurze (<200 bp) microRNAs (miRNAs), die die Genexpression zum Schweigen bringen, indem sie entweder den Abbau der Ziel-mRNA induzieren oder ihre Translation blockieren (93 – 95). Lange nicht-kodierende RNA (lncRNA >200 bp) kann auch die Genexpression auf Transkriptionsebene durch Beeinflussung der Chromatinstruktur zum Schweigen bringen (92). Dies wird erreicht, indem man de novo DNA-Methylierung (96) oder Histon-Modifikationsmuster (97) dirigiert oder Chromatin-Looping vermittelt (98).

Die Differenzierung und Aktivierung von Immunzellen wird von enormen Veränderungen der ncRNA-Expression ( 99 – 101 ) begleitet, z THRIL), das die TNF-α-Expression beeinflusst (103). Die TLR4-Stimulation induziert hohe Spiegel von lnc-IL7R, das die Endothelzelladhäsionsmoleküle VCAM-1 und E-Selectin aktiviert, indem repressive H3K27me3-Promotormarkierungen reduziert werden (104). NeST-ncRNA interagiert mit der WDR5-Untereinheit von Histon-H3K4-Methylierungskomplexen und induziert die IFN-γ-Expression durch Modifizieren des Chromatins am IFN-γ-Genlocus in CD8 + T-Zellen ( 105 ). In CD4 + T-Zellen ist lincR-Ccr-5′AS wichtig für die Migration von Th2-Zellen in die Lunge (100). Obwohl ncRNAs sehr reichlich vorhanden sind, wird ihre Rolle bei Immunantworten erst am Anfang verstanden.

Einmal erworben, bleiben epigenetische Veränderungen während der Zellteilung bestehen und ermöglichen die Aufrechterhaltung der Zellidentität ( 106 ). Die Reaktionsfähigkeit auf Umweltsignale und die Reversibilität epigenetischer Landschaften ermöglichen jedoch Plastizität in Transkriptionsprogrammen bereits differenzierter Zellen. Diese Merkmale positionieren epigenetische Mechanismen als ideale molekulare Instrumente zur Kontrolle der Aktivität von Immunzellen, die auf ihre Funktion spezialisiert bleiben müssen, aber in der Lage sein müssen, die Reaktion an verschiedene Umwelteinflüsse anzupassen. Es überrascht nicht, dass genomweite Veränderungen der DNA-Methylierung, Histonmodifikationen, Chromatinzugänglichkeit, ncRNA-Expression und weitreichende Chromatininteraktionen die Entwicklung von Immunzellen während der Hämatopoese (56, 107, 108) sowie die Aktivierung begleiten. Während die Rolle der Epigenetik während der Entwicklung, Differenzierung und Aktivierung allgemein anerkannt ist (Abbildung 2B), ist viel weniger über die Auflösungs- und Reparaturphase von Immunantworten bekannt, für die wir einige neuere Erkenntnisse in Zellen des angeborenen und adaptiven Immunsystems hervorheben werden Systeme.

Eine vom Immunsystem wahrgenommene Gewebeschädigung führt zu einer konzertierten Aktion verschiedener Immunzellen. Geweberesidente Immunzellen sind erste Ansprecher auf den Angriff und induzieren proinflammatorische Signale, um weitere zirkulierende Immunzellen wie Monozyten und Neutrophile anzuziehen. Wenn der Insult beseitigt ist, muss der Entzündung entgegengewirkt, proinflammatorische Zellen eliminiert, die weitere Rekrutierung von Leukozyten aufgehoben und Gewebereparaturmechanismen unterstützt werden – Aktionen, die durch spezialisierte Pro-Resolving Mediators (SPMs) erleichtert werden, die auf Immunzellen und umliegendes Gewebe einwirken, um die Homöostase wiederherzustellen ( 109 ). Eine fehlgeschlagene Auflösung des Schadens und die damit verbundene akute Entzündungsreaktion führen zu Abszessbildung, Fibrose oder chronischer geringgradiger Entzündung und in der Folge zu weiteren Gewebeschäden (110). Makrophagen initiieren nicht nur Immunreaktionen als Reaktion auf eine Verletzung, sondern sind ebenso wichtig für deren Auflösung, z. B. durch die Produktion von entzündungshemmenden SPMs ( 111 ). Während die epigenomische Landschaft verschiedener Immunzellen und Untergruppen unter Homöostase und ihre Veränderungen nach der Aktivierung gut untersucht sind, sind die molekularen Determinanten der Retraktionsphase, die zur Auflösung und Reparatur führt, weniger erforscht. Da geweberesidente Makrophagen die lokale Homöostase entscheidend beeinflussen ( 112 , 113 ), leiten Signale, die in ihrer Mikroumgebung vorhanden sind, wie Metabolite, mechanische Signale, apoptotische Körper und Zytokine, unterschiedliche transkriptionelle und epigenomische Programme in verschiedenen Geweben an, wodurch spezifische Reaktionen auf Gefahren ausgelöst werden Signale ( 42 , 113 – 116 ). Zum Beispiel verändert eine NaCl-reiche Umgebung H3K4me3 an mehreren Loci in Makrophagen, was einen proinflammatorischen Phänotyp fördert, indem sie eine erhöhte NO-Freisetzung bei LPS-Stimulation (117) sowie einen verringerten entzündungshemmenden Phänotyp durch Stummschaltung der Il4 und Il13 loci ( 118 ) — kollektiv die Wundheilung unter Bedingungen mit hohem Salzgehalt verzögern.

Der Schlaganfall ist ein Beispiel für eine Gewebeverletzung, bei der die Auswirkungen der epigenetischen Regulation bereits angesprochen wurden (119). Dynamische globale Veränderungen der DNA-Methylierung sind mit dem Fortschreiten der Atherosklerose (120) und dem Ergebnis von Schlaganfällen (121) verbunden. Genauer gesagt haben Studien die Inzidenz oder das Ergebnis von Schlaganfällen mit der Regulierung von Genen in Verbindung gebracht, die an der Thrombozytenkonglomeration beteiligt sind (VERKEHR, PPM1A ref. 122 , 123 ) Zelladhäsion und damit Leukozytenrekrutierung bei akuter Entzündung (LINE-1 Ref. 124) und Angiogenese-Induktion während der Reparatur (THBS1 ref. 125 – 128). Widersprüchliche Berichte über die Auswirkungen der DNA-Methylierung bei verschiedenen Schlaganfall-Subtypen weisen jedoch auf die Notwendigkeit einer eingehenderen Analyse verschiedener pathologischer Situationen, einer Unterscheidung epigenetischer Veränderungen auf Genebene und, was noch wichtiger ist, einer Untersuchung zelltypspezifischer Veränderungen hin ( 119 ). . Da die Histon-H3-Acetylierung bei einem ischämischen Schlaganfall stark reduziert ist, fanden viele Studien heraus, dass die Hemmung der Histon-Deacetylierung günstig für das Schlaganfall-Ergebnis war: Sie unterdrückte die Mikroglia-Aktivierung, induzierte neuroprotektive Proteine ​​(z Ref. 119 ). Obwohl ermutigend, bleibt das detaillierte Wissen über den Einfluss der verschiedenen Histondeacetylase (HDAC)-Inhibitoren auf verschiedene Mitglieder der HDAC-Familie und ihre spezifischen Wirkungen in verschiedenen Zelltypen unvollständig.

In ähnlicher Weise wurden der Histon-Methylierungsstatus und die Transkriptom-Regulation durch differenzielle miRNA-Produktion im Zusammenhang mit Schlaganfall untersucht. Während allgemein einige veränderte epigenetische Merkmale beschrieben wurden, haben sich Studien noch nicht speziell mit Immunzellen befasst, da die Beschreibungen auf Gewebeebene verbleiben (119). Jüngste Ergebnisse aus dem miRNA-Bereich befassen sich mit diesem Problem, z. B. induzieren miR-155 und miR-210 eine proinflammatorische Signatur in Mikroglia (129), und ein miR-155-Antagomir hat sich als neuroprotektiv erwiesen, indem es die Entzündung und die Infarktgröße in einem Mausmodell für ischämischen Schlaganfall reduziert ( 130). Umgekehrt reguliert miR-let-7a proinflammatorisches IL-6 und iNOS herunter und reguliert Faktoren hoch, die an der Bekämpfung von Entzündungen und der Unterstützung der Auflösung beteiligt sind, z. B. IL-4, IL-10 und der aus dem Gehirn stammende neurotrophe Faktor (BDNF) (131). Tatsächlich wurden viele miRNAs als regulierende Transkriptionsprogramme während der verschiedenen Phasen der akuten Entzündung, Auflösung und Reparatur nach Verletzung identifiziert ( 132 ).

Abgesehen vom ischämischen Insult bei Schlaganfall wurde die epigenetische Regulation von Immunzellen während der gesamten Verletzung in mehreren anderen Situationen untersucht: Eine globale Zunahme der DNMT1-Expression und der DNA-Methylierung in PBMCs wurde als Biomarker für das Screening von Personen mit einem Risiko für die Entwicklung der Alzheimer-Krankheit vorgeschlagen (133). . Während einer Lungenentzündung induzierte Cardiolipin eine HDAC3-vermittelte Deacetylierung des Il10 Promotor, wodurch die Auflösung gehemmt wird (134). Eine ähnliche Rolle wurde bei Atherosklerose festgestellt, bei der HDAC3 in Makrophagen aus rupturierten atherosklerotischen Läsionen hochreguliert und mit entzündlichen Makrophagen assoziiert ist ( 135 ). Analyse myeloidspezifischer Hdac3-Knockout-Mäuse zeigten diese Deacetylase als positiven Regulator der arteriellen Entzündung: defiziente Mäuse zeigten in einem Atherosklerose-Modell eine Plaque-Stabilisierung aufgrund einer reduzierten Lipidakkumulation und einer erhöhten Fibrose über TGF-β ( 135 ). Die Auflösung der Arthritis wird durch die Wechselwirkung von HDAC2 mit Tet2 gefördert, was zur Deacetylierung und damit zur Unterdrückung des Il6 Ort ( 82 ).Die HDAC3-Hemmung erwies sich auch bei Rückenmarksverletzungen als vorteilhaft (136).

Das allgemeine Targeting der DNA-Methylierung oder Histonacetylierung kann aufgrund der systemischen Modulation der Immunzellfunktion und der Auswirkungen auf andere Zelltypen das Risiko von Nebenwirkungen bergen. Das Targeting von miRNAs, die eine engere Untergruppe von Genen regulieren, scheint ein prägnanterer Ansatz zu sein, obwohl die pharmakokinetischen Eigenschaften von miRNA-Agonisten weiterhin eine Herausforderung darstellen und derzeit untersucht werden. Zusammenfassend sind zelltypspezifische räumliche und zeitliche Abklärungen molekularer Prozesse und Determinanten der Entzündungskaskade bei Verletzung entscheidend für die Entwicklung neuer Therapien, insbesondere wenn es um epigenetische Mechanismen geht.

Epigenetische Modifikationen in Makrophagen stehen kurz davor, enträtselt zu werden. Ihre Veränderungen im Kontext der Ontogenese und der Einfluss der Umgebung unter Homöostase zeigen ihre reichliche Plastizität ( 112 , 113 ). Im Gegensatz zu simplen monovalenten in vitro-Stimulationen wird eine zukünftige Herausforderung darin bestehen, die Effekte einer gleichzeitigen Exposition gegenüber allen im Gewebe vorhandenen Signalen zu integrieren ( 114 ). Die Erforschung räumlicher und zeitlicher Merkmale zelltypspezifischer epigenetischer Mechanismen während einer Verletzung wird notwendig sein, um regulatorische Mechanismen in den beteiligten Zelltypen aufzuklären. Obwohl technisch anspruchsvoll, wird der kontinuierliche, rasante Fortschritt epigenomischer Techniken diese Art von Studien bald ermöglichen.

Die Auflösung der akuten Entzündungsreaktion nach einer Verletzung umfasst eine Vielzahl löslicher Mediatoren innerhalb der betroffenen Gewebemikroumgebung sowie viele verschiedene Zelltypen, deren Fähigkeit, auf diese Mediatoren zu reagieren, das Ergebnis bestimmt. Die Entschlüsselung der Schichten der epigenetischen Regulation, die auf responsive Rezeptoren, Signalkaskaden und Effektoren wirken, wird für die Identifizierung von reparaturfördernden Therapien wertvoll sein.

Seit der Verfügbarkeit von Methoden der Einzelzell-RNA-Sequenzierung (scRNA-Seq) ist die Aufklärung der Heterogenität innerhalb verschiedener geweberesidenter Immunzellpopulationen zu einem lebhaften Forschungsgebiet geworden. Das Verständnis der Mechanismen während einer Verletzung, die Dokumentation der verschiedenen vorhandenen Immunzellen und die Unterscheidung von Untergruppen (z. B. residente vs. infiltrierende myeloische Zellen) sind von zentraler Bedeutung. Insbesondere Veränderungen in der Mikroumgebung des Gewebes während einer Verletzung diversifizieren die vorhandenen Immunzellpopulationen: Infiltrierende Zellen können Marker von geweberesidenten Zellen erwerben, und detaillierte Kenntnisse der Immunzellpopulationen, die während der Homöostase und Verletzung vorhanden sind, sind erforderlich, um die anhaltenden Veränderungen während dieses pathologischen Prozesses anzugehen . Eine geeignete Stratifizierung ist notwendig, um die unterschiedlichen Beiträge verschiedener Subpopulationen zu Verletzungen zu berücksichtigen, insbesondere im Hinblick auf die Gewebereparatur, sowie um zugrunde liegende molekulare Mechanismen wie epigenetische Modifikationen zu untersuchen.

Obwohl weniger über die Rolle epigenetischer Mechanismen in Lymphozyten während späterer Verletzungsphasen, insbesondere der Reparatur- und Auflösungsphasen, bekannt ist, wird die Rolle der Lymphozyten während der Wundheilung gut gewürdigt (137, 138). T-Zellen sind eindeutig an Verletzungsstellen vorhanden ( 139 – 141) und können je nach Gewebe und T-Zell-Untergruppen positive oder negative Auswirkungen auf die Geweberegeneration haben. Im Allgemeinen beeinflussen γδT-Zellen, angeborene Lymphozyten (ILCs) und Tregs die Gewebereparatur positiv, während Helfer- und zytotoxische T-Zellen die Frakturheilung verzögern können, indem sie IFN-γ- und TNF-α-Zytokine sezernieren, die die Osteogenese hemmen (142, 143). Andererseits zeigen neuere Studien eine schützende Rolle von T-Zellen bei ZNS-Schäden (144), akuten Nierenschäden (145), Myokardinfarkten (146) und Muskelreparaturen (137). T-Helferzellen vom Typ 1 (Th1) fördern Entzündungen, während Th2-Zellen entzündungshemmend wirken und zur Genesung von Verletzungen beitragen. Die Differenzierung naiver T-Zellen zu diesen Untergruppen erfordert eine T-Zell-Rezeptor-Anbindung, gefolgt von epigenetischen Mechanismen. Effektorzellen, denen die H3K27me3-Methyltransferase EZH2 fehlt, schützen nicht vor Toxoplasma gondii Infektion und kann Autoimmunkolitis auslösen (147). Umgekehrt verbessert die EZH2-Hemmung während einer Nieren- oder Knochenmarkstransplantation die Allotransplantat-Abstoßung und reduziert die Verletzung, indem sie die Zytokinproduktion unterdrückt und die alloreaktive T-Zell-Apoptose induziert (148, 149). Es bleibt unklar, welche Rezeptoren an der verletzungsinduzierten T-Zell-Aktivierung beteiligt sind, insbesondere während einer sterilen Entzündung wie einer Ischämie, bei der das zugehörige Antigen fehlt. Die T-Zell-Aktivierung an Verletzungsstellen ähnelt unwahrscheinlich einer naiven T-Zell-Differenzierung oder umfasst ähnliche epigenetische Veränderungen, die erst seit kurzem angegangen werden (150). Zytotoxische Tc17- und Th17-Helferzellen induziert durch Staphylococcus epidermidis bekämpfen die Infektion durch die Produktion von IL-17, besitzen aber aufgrund ihres ausgeglichenen Typ-2-Immunitätsprogramms auch ein Wundheilungspotenzial. Sie haben die Fähigkeit, hohe Spiegel der Typ-2-Zytokine IL-5 und IL-13 zu produzieren, da sie für diese Genloci geöffnetes Chromatin und niedrige Spiegel der entsprechenden Transkripte enthalten (150). Zusammengenommen Tc17-Zellen, die während S. Epidermidis Kolonisation verbessert die Wundheilung der Haut in Abhängigkeit von IL-13 (150). Es ist daher möglich, dass T-Zellen, insbesondere geweberesidente, bei der Begegnung mit einem Antigen ausgeglichene epigenetische Signaturen erwerben, die bei Verletzung die entsprechende Zytokinproduktion ermöglichen.

γδT-Zellen bilden eine Haupt-Lymphozytenpopulation in Schleimhautgeweben und in der Haut. Bei Hautschäden sind sie eine der ersten zellulären Komponenten, die als Reaktion auf Stresssignale mobilisiert werden, lösliche Faktoren absondern, die weitere Entzündungszellen anziehen, aber auch die Epithelzellproliferation durch Mitogene wie die Keratinozyten-Wachstumsfaktoren IGF-1 ( 151 ), FGF . direkt stimulieren -7 und FGF-10 (152, 153). Lungenresidente T-Zellen produzieren IL-22, das Fibrose verhindert (154), und γδT-Zellen im Knochen sezernieren IL-17A, wodurch die Osteogenese während der Frakturheilung beschleunigt wird (155). Ob γδT-Zellen IFN-γ oder IL-17 produzieren, wird weitgehend während der Thymusentwicklung entschieden. Sehr wenige γδT-Zellen verlassen den Thymus als nicht vorprogrammierte Zellen mit dem Potenzial, durch periphere Umweltreize instruiert zu werden (156). Die Fähigkeit, entweder IFN-γ oder IL-17A, IL-17F und IL-22 zu produzieren, ist in der Chromatinstruktur kodiert. IFN-γ-produzierende CD27 + γδT-Zellen zeigen eine Anreicherung von unterdrückenden H3K27me3-Markierungen an der Il17a, Il17f, und Il22 Loci und Anreicherung von H3K4me2 am Ifng Locus, während IL-17-produzierendes CD27 – γδT-Zellen besitzen Il17a, Il17f, und Il22 Loci in einem ausgeglichenen Zustand mit H3K27me3 und H3K4me2 vorhanden (157). Obwohl daraus geschlossen werden kann, dass die epigenetische Reprogrammierung von γδT-Zellen in der Peripherie begrenzt ist, kann die Regulierung der γδT-Zellfunktion während einer Verletzung immer noch ein wichtiger Prozess sein, der in allen Phasen der Verletzung raumzeitlich weiter untersucht werden muss, um die Rolle dieser wichtigen Immunzellen besser zu verstehen Zellen während der Verletzung.

Unkontrollierte Entzündungen nach Gewebeschäden können die Gewebeheilung und -regeneration beeinträchtigen, wie dies bei chronischer ischämischer Herzinsuffizienz der Fall ist (158, 159). Tregs an der Verletzungsstelle können die Auflösung von Entzündungen erleichtern, indem sie die Reparatur vieler Gewebe erleichtern, einschließlich Knochen (142), Haut (160), Lunge (161, 162), Niere (163, 164), ZNS (165) und Skelett ( 141) und Herzmuskeln (166). Während einer Verletzung modulieren Tregs das Verhalten von Neutrophilen (161), beeinflussen die Monozyten/Makrophagen-Aktivierung in Richtung eines entzündungshemmenden Phänotyps (167) und reduzieren die Lymphozytenproduktion der proinflammatorischen Zytokine TNF-α und IFN-γ (142). Tregs können auch die Wundheilung direkt beeinflussen, indem sie Wachstumsfaktoren wie Amphiregulin (141) produzieren, das die Geweberegeneration fördert. Da die DNA-Methylierung eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Foxp3-Expression spielt, kann sie auch Gewebereparatur- und Auflösungsprozesse beeinflussen. Tatsächlich beschleunigt der DNMT-Inhibitor 5-Aza-29-desoxycytidin (DAC) die Auflösung experimenteller Lungenverletzungen zumindest teilweise über eine heilsame Wirkung auf Tregs. Die DAC-Behandlung erhöht die Treg-Zahl und die Funktion in der verwundeten Lunge (168). Es ist klar, dass weitere Arbeiten erforderlich sind, um genau zu verstehen, welche epigenetischen Mechanismen in Tregs funktionieren und daher therapeutisch zur Förderung der Gewebereparatur und -auflösung eingesetzt werden könnten.

Das Vorhandensein von ILCs scheint auch für die Wiederherstellung der Gewebehomöostase nach einer Verletzung von Vorteil zu sein (169). Eine Depletion von Typ-2-ILCs, die auf IL-33 ansprechen, beeinträchtigte die Wundheilung in der Lunge nach einer Influenza-Infektion (170) und im Hornhautgewebe nach Hornhautepithel-Abrasion (171). ILCs erwerben während der Entwicklung spezifische Chromatin-Modifikationen, wodurch stimulationsinduzierbare Gene zur Expression bereit sind. Weder in vitro- noch in vivo-Stimulation scheint die Zugänglichkeit von Chromatin in ILCs zu beeinflussen (172, 173). Das Mikrobiom beeinflusst jedoch die epigenetische Landschaft verschiedener ILC-Untergruppen (173). Die Rolle epigenetischer Veränderungen innerhalb einzelner ILC-Populationen als Reaktion auf Gewebeschäden muss noch geklärt werden.

Während die Rolle von Lymphozyten während der Verletzung immer deutlicher wird, sind die epigenetischen Ereignisse, die während späterer Phasen der Immunantwort auf Gewebeschäden auftreten, weitgehend unbekannt, insbesondere im Hinblick auf die epigenetische Reprogrammierung von Lymphozyten. Aufgrund der wenigen verfügbaren Daten ist es verlockend zu spekulieren, dass Zellen, die an der Gewebereparatur beteiligt sind, einschließlich γδT-Zellen, Tc17-Zellen und ILCs, ihr Heilungspotenzial durch Reprogrammierung auf Chromatinebene erlangen, bevor die Verletzung eintritt. Es ist auch wichtig, die Rolle epigenetischer Mechanismen während der späten Reparatur- und Auflösungsphasen zu berücksichtigen. Erste Versuche, die Rolle der Epigenetik in diesem Prozess zu untersuchen, bleiben sehr begrenzt. Obwohl epigenetische Inhibitoren bereits als potenzielle Strategien zur Verbesserung von Wundheilungsprozessen getestet wurden (148, 149, 174), ist ein besseres Verständnis der epigenetischen Ereignisse, die an der Gewebereparatur beteiligt sind, notwendig, um präzisionsmedizinische Strategien zu entwickeln.

Während der Reaktion des Körpers auf eine Verletzung agieren Immunzellen systemartig, wobei viele verschiedene Immunzelltypen während des gesamten Prozesses beteiligt sind (3, 175, 176). Dabei müssen unterschiedliche Dimensionen von Interaktionen berücksichtigt werden. Auf Populationsebene kann genetische Variation molekulare Mechanismen beeinflussen, die an Reparatur- und Auflösungsprozessen beteiligt sind (Abbildung 3). In diesem Zusammenhang kann die Analyse quantitativer Trait-Loci (QTL), insbesondere Expressions-QTL und epigenetischer QTL, Aufschluss über die genetische und umweltbedingte Anfälligkeit eines Individuums für Dysregulation in verschiedenen Phasen der Verletzungsreaktion geben (177). Darüber hinaus führt die Exposition jedes Individuums während des gesamten Lebens zu einer Vielzahl von Umweltreizen zu epigenetischen Veränderungen, die eine weitere wichtige Schicht über den genetischen Code hinzufügen, die die Anfälligkeit und das Ergebnis der Krankheit erklärt. Da jeder Immunzelltyp in den verschiedenen Phasen nach einer Verletzung zeitaufgelöst reagiert, gewinnen Einzelzelltechnologien, die transkriptionelle und epigenetische Veränderungen definieren, immer mehr an Bedeutung ( 178 – 180 ). Da die epigenetische Regulation auf mehreren Ebenen stattfindet, sind außerdem Multi-Omics-Ansätze erforderlich, um gleichzeitig wichtige regulatorische epigenetische und transkriptionale Mechanismen während der Verletzung, Reparatur und Auflösung abzufragen (Abbildung 3 und Lit. 181, 182). Bisher wurden Einzelzellmethoden wie scATAC-Seq (183), scDNase-Seq (184) und scMNase-Seq (185) nicht angewendet, um die Prozesse während der Reparatur und Auflösung von Verletzungen anzugehen. Es überrascht nicht, dass wir weit davon entfernt sind, Bevölkerungs-, Individuums-, Organ-, Gewebe-, Einzelzellen-, Zeit- und Multiomics-Dimensionen zu bewerten, um eine integrierte Sicht auf die pathologischen Prozesse zu entwickeln.

Integrierte Ansicht der epigenetischen Prozesse, die im Laufe der Zeit während Verletzung, Reparatur und Auflösung auftreten. Epigenetische Regulationsmechanismen können auf Populations-, Individual-, Gewebe- und Organebene sowie auf Einzelzellebene untersucht werden. Da jeder Verletzung eine Reihe von Prozessen folgt, die von der Aktivierung des Immunsystems über die maximale Reaktivität bis hin zur Reparatur und Auflösung reichen, sind zeitaufgelöste Analysen epigenetischer Prozesse erforderlich. Auf den verschiedenen Ebenen (Population, Individuen, Gewebe und Organe sowie einzelne Zellen) können verschiedene Multiomics-Ansätze angewendet werden, um die epigenetische Regulation zu bestimmen. Auflösung, bestimmbare Komplexität, Skalierbarkeit epigenetischer Assays und Analysekosten unterscheiden sich erheblich zwischen den verschiedenen Settings. Zukünftige Studien, die insbesondere auf die Reparatur- und Lösungsphasen abzielen, erfordern eine ausgeklügelte Planung der Gesamtziele und die Durchführung von Experimenten. eQTL, quantitative Expressions-Trait-Loci epiQTL, epigenetische quantitative Trait-Loci.

Anhand des Myokardinfarkts (MI) als sehr prominentes Beispiel für eine Verletzung als weltweit häufigste Todesursache ( 186 ) werden wir nun veranschaulichen, wie eine integrierte Sichtweise für die zukünftige Forschung ins Auge gefasst werden könnte. Jüngste Arbeiten haben das Zusammenspiel zwischen lokalen Immunzellen, insbesondere Myokardgewebemakrophagen, und einwandernden Immunzellen wie Neutrophilen und Monozyten während eines MI klar nachgewiesen (175). Auf genetischer Ebene sind über 50 Loci, die in den letzten zehn Jahren identifiziert wurden, mit einem erhöhten Risiko für koronare Herzkrankheit (KHK) und MI verbunden (187). Die große Mehrheit dieser Loci befindet sich in nicht-kodierenden Teilen des Genoms, was eine Beeinflussung der epigenetischen Regulation der Transkription und nicht der Proteinstruktur wahrscheinlicher macht. Ein sehr prominenter Anfälligkeits-Locus für CAD/MI auf Chromosom 9p21 war ursprünglich mit den beiden nächstgelegenen proteinkodierenden Genen verbunden, CDKN2A und CDKN2B ( 188 ). Neuere Studien verdeutlichen jedoch die Notwendigkeit, aus genetischen Variationsstudien auf eine Kausalität zu schließen ( 189 – 191 ). Es wurde nun festgestellt, dass die Risiko- und Nichtrisiko-Allele an diesem Locus für verschiedene Isoformen der lncRNA ANRIL kodieren, was zu einer unterschiedlichen epigenetischen Funktionalität dieser lncRNA führt und letztendlich die Expression mehrerer Gene moduliert (192).

Mehrere epigenetische Mechanismen, einschließlich DNA-Methylierung und Histon-Modifikationen, sind mit einer abweichenden kardialen Wundheilung verbunden (193, 194), obwohl der aktuelle Kenntnisstand hauptsächlich auf Studien basiert, die epigenetische Veränderungen auf Gewebeebene und nicht auf Zelltypebene bewerten. Zum Beispiel zeigen Patienten mit Herzinsuffizienz im Endstadium eine globale Reduktion der DNA-Methylierung in CpG-Inseln, und einige dieser epigenetischen Veränderungen sind mit einer fehlregulierten Expression von Genen verbunden, die an der Angiogenese beteiligt sind (195). In ähnlicher Weise wurden Veränderungen der Histon-Methylierung bei menschlicher Herzinsuffizienz beobachtet (196), jedoch befassen sich diese Studien nicht mit epigenetischen Veränderungen in einzelnen Untergruppen von Immunzellen, die an Herzverletzungen beteiligt sind. Tatsächlich ist sehr wenig über epigenetische Veränderungen in Untergruppen von Immunzellen bei Herzinsuffizienz oder anderen Herzverletzungen bekannt. Die Behandlung von Ratten mit dem DNMT-Inhibitor 5-Azacytidin reduzierte die Makrophagenzahl nach MI, und die verbleibenden Makrophagen hatten einen stärker entzündungshemmenden Phänotyp (197). Histonmodifikationen sind an der Makrophagen-Reprogrammierung beteiligt ( 114 , 198 ), wurden jedoch im Zusammenhang mit MI oder anderen Herzverletzungen in vivo nicht im Detail untersucht, sicherlich nicht in integrierter Weise auf Zelltyp- oder sogar Einzelzellebene. Ein Vergleich der transkriptionellen Regulation von Reparaturmechanismen in adulten und neonatalen Säugerherzen legte nahe, dass sowohl adulte als auch neonatale Immunzellkompartimente nach MI ein proliferatives Genexpressionsnetzwerk exprimieren. Im Gegensatz dazu sind adulte Kardiomyozyten nicht in der Lage, das Netzwerk von proliferativen Genen zu reaktivieren, die in neonatalen Kardiomyozyten nach MI exprimiert werden (199). Eine integrierte Betrachtung der Transkriptionsregulation und der genomweiten Chromatinzugänglichkeitslandschaften in Kardiomyozyten nach MI zeigt, dass die für den Eintritt in den Zellzyklus erforderlichen Loci durch eine geschlossene Chromatinlandschaft gekennzeichnet sind. Dies ermöglicht es neonatalen Zellen, MI zu reparieren, ohne zur Narbenbildung zu führen, was die wichtigste Option zur Heilung der Verletzung bei Erwachsenen ist. Während diese Studie wichtige epigenetische und transkriptionelle Regulationsmechanismen aufzeigt, die die Post-MI-Reparatur- und Auflösungsmechanismen auf Zelltypebene beeinflussen, müssen wir die weitere Heterogenität innerhalb einzelner Zelltypen während aller Phasen der Verletzung berücksichtigen. scRNA-Seq-Technologien sind gut geeignet, um eine solche Heterogenität zu adressieren, sogar auf raumzeitliche Weise (179, 180). Auf MI angewendet, werden in infarktiertem Gewebe funktionell definierte zelluläre Zustände innerhalb des myeloischen Kompartiments erkannt ( 200 ). In Kombination mit Fate-Mapping-Technologien, Immunfluoreszenzstudien und zeitlicher Kinetik einzelner Subpopulationen entsteht ein Bild der unterschiedlichen Funktionalität innerhalb des myeloischen Zellkompartiments während der verschiedenen Post-MI-Phasen. Die frühesten Phasen beinhalten funktionelle Veränderungen in lokalen Gewebemakrophagen, die zu einem Einstrom von Neutrophilen und Monozyten führen, die eine Entzündungsreaktion fördern. Diese Zellen werden zu späteren Zeitpunkten durch Teilmengen ersetzt, die durch klassische Reparaturmechanismen gekennzeichnet sind (178, 200). Besonders überraschend innerhalb dieser Studien ist die funktionelle Heterogenität von Immunzellen während der verschiedenen Phasen einer Verletzung wie beispielsweise eines MI. Das Verständnis dieser unterschiedlichen funktionellen Zustände innerhalb des myeloischen Kompartiments ermöglicht es, auf bestimmte Subpopulationen abzuzielen, um den natürlichen Verlauf der Krankheit zu manipulieren (180, 200). Beispielsweise verschlechtert die Erschöpfung residenter Makrophagen nach einem Infarkt die Herzfunktion, was darauf hindeutet, dass der Schutz dieser Zellen vor einer Erschöpfung ein potenzielles therapeutisches Konzept sein könnte. Es ist klar, dass wir die vorhergesagte Funktionalität aller neu identifizierten funktionellen Zustände weiter bewerten und diese transkriptionellen Veränderungen mit einer epigenetischen Regulation verknüpfen müssen, die auch therapeutisch angesteuert werden könnte.

Epigenetische Regulationsmechanismen sind sehr dynamisch und bieten jeder einzelnen Zelle zahlreiche Möglichkeiten, auf Veränderungen in ihrer Mikroumgebung zu reagieren, seien sie homöostatisch oder pathophysiologisch. Verletzungen mit ihren unterschiedlichen Phasen erfordern gut abgestimmte epigenetische Veränderungen in allen am Prozess beteiligten Immunzellen, um eine ordnungsgemäße Wiederherstellung der Gewebehomöostase nach der akuten Entzündung nach einer Verletzung zu ermöglichen. Da wir erst begonnen haben, die vielen verschiedenen epigenetischen Mechanismen zu verstehen, die es gibt, ist es nicht verwunderlich, dass unser Bild der Rolle der Epigenetik in späteren Phasen von Verletzungen, nämlich Reparatur und Auflösung, meist unvollständig bleibt. Fundierte Kenntnisse über die verschiedenen geweberesidenten und patrouillierenden Immunzellpopulationen und Untergruppen, die unter homöostatischen Bedingungen vorliegen, sind eine Voraussetzung, um pathophysiologische Prozesse zu verstehen. Einzelzelltechnologien ebnen derzeit den Weg zur Entschlüsselung und Beschreibung von Immunzellpopulationen auf beispiellosem Niveau und ermöglichen die Isolierung und Charakterisierung seltener Zellen auf epigenetischer Ebene.Technologische Beschränkungen vieler epigenetischer Assays bezüglich der Menge des notwendigen Inputmaterials haben detaillierte Studien dieser Prozesse während einer Verletzung verhindert. Wir sind jedoch der festen Überzeugung, dass es sehr lohnend sein wird, diese Studien abzuschließen, da die Entscheidung zwischen einer Gewebeauflösung nach einer Verletzung oder einer chronischen, geringgradigen Entzündung, der Entwicklung von Fibrose oder der Entstehung von Abszessen als zweitbeste Option sicherlich von verschiedenen . beeinflusst und moduliert wird epigenetische Regulationsmechanismen. Die Bedingungen und Faktoren, die in verletztem Gewebe vorhanden sind, sind einflussreich, aber es wird auch klar, dass genetische Variabilität, Alter und Umwelteinflüsse ihre epigenetischen Spuren hinterlassen und die Anfälligkeit und das Ergebnis von Verletzungen beeinflussen können. Die Aufdeckung dieser spezifischen epigenetischen Schalter in definierten Untergruppen von Immunzellen wird uns zielgerichtete Therapien für viele der pathophysiologischen Zustände nach Verletzungen näher bringen, und diese epigenetisch motivierten Therapien könnten die Grundlage der Präzisionsmedizin für verwandte chronische Krankheiten bilden.

JLS wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (Deutsche Forschungsgemeinschaft) im Rahmen der deutschen Exzellenzstrategie – EXC2151 – 390873048 gefördert. JLS wird im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizon 2020 der Europäischen Union im Rahmen der Fördervereinbarung 733100 gefördert. JLS ist Mitglied des Aging and Metabolic Programming (AMPro)-Konsortium. KP wird vom Marie Sklodowska Curie Actions Individual Fellowship der Europäischen Kommission (798582) unterstützt.

Interessenkonflikt: JLS wurde im Rahmen von Forschungskooperationen zur Einzelzellgenomik bei Lungenerkrankungen von MedImmune und Boehringer Ingelheim gefördert.


Hintergrund

Die Karzinogenese ist ein komplexer Prozess, der sowohl genetische als auch epigenetische Veränderungen beinhaltet und zur Umwandlung normaler Zellen in bösartige Zellen führt. Die abweichenden genetischen und epigenetischen Veränderungen sind das Markenzeichen von Krebs. Epigenetische Modifikationen sind für zelluläre Plastizität, Differenzierung und Reprogrammierung verantwortlich, ohne die zugrunde liegende DNA-Sequenz des Organismus zu verändern [1]. Die normale Zellentwicklung hängt von der regulierten Transkription kritischer Proteine ​​ab, und einzelne Zellen innerhalb bestimmter Gewebe und Organe behalten ihre einzigartigen biologischen Funktionen basierend auf erblichen und evolutionären Unterschieden in der DNA-Verpackung bei. Histonproteine ​​(zwei Kopien der Histone H2A, H2B, H3 und H4) umschließen 147 Basenpaare der DNA, um ein Nukleosom zu bilden. Nukleosomen werden durch zusätzliche Proteine ​​weiter verdichtet, um Chromatin zu bilden. Epigenetische Modifikationen, einschließlich Acetylierung und Methylierung (Histonmarkierungen), können die Zugänglichkeit der DNA und die Chromatinstruktur verändern und die Aktivierung oder Stummschaltung der Gentranskription regulieren. Acetylierte Histone sind weniger kompakt, wodurch die Gentranskription ermöglicht wird, indem die DNA für die RNA-Polymerase und die Transkriptionsmaschinerie leichter zugänglich gemacht wird. Auf der anderen Seite können methylierte Histone je nach Ort und Methylierungsgrad entweder repressiv oder aktivierend wirken. Die Methylierung von Histon H3 an Lysin 4, 36 und 79 wird allgemein als Aktivierungsmark angesehen, während Methylierungen an Histon H3 Lysin 9, 27 mit der transkriptionalen Repression verbunden sind [2]. Im Allgemeinen werden Enzyme, die dem Histon oder der DNA Acetyl- oder Methylgruppen hinzufügen, als „Writer“ bezeichnet, während Enzyme, die Histonmarkierungen entfernen, als „Radiergummis“ bezeichnet werden. Proteine, die Histon- und DNA-Modifikationen erkennen, sind die „Leser“ des Chromatins [1].

Das komplexe Gleichgewicht zwischen normaler und abnormaler epigenetischer Regulation ist ein Gebiet von intensivem Interesse in der Krebsforschung, einschließlich der therapeutischen Entwicklung bei Krebs [3]. Dieser Artikel wird abweichende Veränderungen der DNA-Methylierung, Histon-Acetylierung und Histon-Methylierung (zusammengefasst in Abb. 1) bei Krebs veranschaulichen, die epigenetischen Wirkstoffe sowohl bei hämatologischen Malignomen als auch soliden Tumoren diskutieren und die jüngsten neuen Kombinationsstrategien hervorheben, z. B. mit Immun-Checkpoint Hemmstoffe und Hormontherapien bei soliden Tumoren.

Die epigenetischen Leser, Schreiber und Radiergummis. (ein) Histon-Proteine ​​umhüllen die DNA, um ein Nukleosom zu bilden, das dann zu Chromatinen und weiter zu Chromosomen verdichtet wird. HATs fügen Acetylgruppen hinzu und HDACs entfernen Acetylgruppen von Histon-Lysin-Resten. Die acetylierten Histone werden als „offenes Chromatin“ betrachtet und ermöglichen die Gentranskription, während deacetylierte Histone „geschlossenes Chromatin“ sind und mit dem Gen-Silencing assoziiert werden. BET-Proteine ​​erkennen acetylierte Histone und sind an der Transkriptionsaktivierung beteiligt, indem sie andere Proteine ​​rekrutieren. Im Vergleich zur Histonacetylierung kann die Histonmethylierung je nach Ort und Methylierungsgrad entweder repressiv oder aktivierend sein. Verschiedene Histon-Methyltransferasen sind spezifisch, um die Lysin- oder Argininreste zu modifizieren. LSD1 demethyliert kontextabhängig entweder das aktive Zeichen von H3K4 oder das repressive Zeichen von H3K9. EZH2 methyliert H3K27 und fördert die Abschaltung der Transkription. DOT1L methyliert H3K79, ein Aktivierungszeichen. Auf DNA-Ebene methylieren DNMTs und wandeln Cytosin in 5-Methylcytosin (5mC) um, und TETs entfernen Methylgruppen auf der DNA. Mutationen in Genen, die Enzyme des Zellstoffwechsels kodieren, können die epigenetische Landschaft verändern. Dies wird durch IDH1/2 veranschaulicht, die Isocitrat zu &agr;-KG metabolisieren. IDH1/2-Mutationen (Gain-of-Function) führen zu einer Weiterverarbeitung von α-KG zu 2-HG („Oncometabolite“), was TETs hemmt und zu einer verminderten DNA-Demethylierung (erhöhter DNA-Methylierungszustand) führt. B Ein Multiproteinkomplex (bestehend aus METTL3, METTL14 und anderen Untereinheiten) methyliert die Adenosinbase an der Stickstoff-6-Position und bildet m 6 A in der Boten-RNA. m 6 Eine Änderung ist reversibel und kann von ALKBH5 und FTO gelöscht werden. m 6 A-Reader-Proteine ​​können den Stoffwechsel von mRNA regulieren. YTHDF2 bindet beispielsweise an m 6 A und zielt auf den mRNA-Abbau ab. HUT Histonacetyltransferase, HDAC Histon-Deacetylase, WETTE Bromodomäne und extraterminale Motivproteine, LSD1 Lysin-spezifische Histon-Demethylase 1, EZH2 Enhancer von Zeste Homolog 2, DOT1L Disruptor des Telomer-Silencing 1 wie, DNMT DNA-Methyltransferase, TET zehn-elf-Translokation, IDH Isocitrat-Dehydrogenase, α-KG α-Ketoglutarat, 2-HG 2-Hydroxyglutarat, m 6 EIN N 6 -Methyladenosin, METTL3 Methyltransferase-ähnliches Protein 3, METTL14 Methyltransferase-ähnliches Protein 14, ALKBH5 alkB-Homolog 5, FTO Fettmasse und Adipositas-assoziiertes Protein


Abschlusskommentare und zukünftige Arbeiten

Altern als vielschichtiger und mehrdimensionaler Prozess ist mit einem erhöhten Risiko für eine Reihe von Krankheiten, einschließlich Krebs, verbunden. Es ist allgemein bekannt, dass Individuen unterschiedlich schnell altern und dass das biologische Alter und das Risiko einer Person für altersbedingte Erkrankungen von ihrem/ihrem chronologischen Alter abweichen. Darüber hinaus variiert das Risiko für altersbedingte Krankheiten und Krebs zwischen Personen gleichen chronologischen Alters. Es scheint, dass einige Menschen eine Altersbeschleunigung und ein erhöhtes Risiko für altersbedingte Krankheiten aufweisen, während andere eine Altersverzögerung aufweisen und einen gesünderen Alterungsprozess erleben (Abb. 1). Daher ist ein besseres Verständnis des biologischen Alterungsprozesses eines Individuums und der damit verbundenen molekularen Veränderungen im Gegensatz zum chronologischen Alter wahrscheinlich der Schlüssel zum besseren Verständnis des altersbedingten Risikos für Krankheiten wie Krebs. „Epigenetic Drift“, ein stochastischer Prozess des globalen DNAm-Gewinns oder -Verlusts in Abhängigkeit vom Alter, erweist sich als vielversprechender Biomarker für das biologische Altern und als plausibler molekularer Mechanismus, der diesen Prozess vermittelt. Aus Tausenden von CpG-Loci, die Hunderte von CGIs abdecken, die im Laufe der Zeit driften oder sich signifikant verändern, wurden verschiedene epigenetische Uhren konstruiert, um im Wesentlichen verschiedene Aspekte des biologischen Alterns zu beurteilen (Abb. 2). Unter ihnen können die Horvath- und Hannum-Uhren Prozesse am ehesten widerspiegeln, die aus einem intrinsischen Alterungsprozess resultieren, obwohl sie auch durch Umwelteinflüsse beeinflusst zu werden scheinen. Daher schlagen wir vor, dass die Hannum- und Horvath-Uhren am besten als „hybride chronologisch/biologische Uhren“ beschrieben werden können, ein Begriff, der in einem kürzlich erschienenen Übersichtsartikel (89) erwähnt wurde. Im Gegensatz dazu scheint die epiTOC-Uhr den internen Uhrmechanismus der Stammzellteilungen während des Alterns zu messen. Darüber hinaus geht die neuere DNAm-PhenoAge-Uhr über die bloße chronologische/biologische Altersschätzung hinaus und dient als Biomarker zur Vorhersage von Mortalität, Gesundheitszustand, Herz-Kreislauf- oder Alzheimer-Erkrankungen (23).

Obwohl viel über den Zusammenhang zwischen epigenetischer Alterung und Krebsrisiko aufgedeckt wurde, müssen in naher Zukunft einige Wissenslücken geschlossen werden, insbesondere im Hinblick auf das Verständnis der biologischen und klinischen Bedeutung der epigenetischen Driftphänomene. Obwohl frühere Studien wichtige Informationen über die möglichen Auswirkungen der epigenetischen Drift auf die Genexpression geliefert haben, müssen die funktionellen Konsequenzen der epigenetischen Drift weiter aufgeklärt werden. Zu diesem Zweck hat die integrative Analyse der Genexpression und epigenetischen Drift in beiden TCGA-Datensätzen zu Adenokarzinomen des Ösophagus/Kolorektalkarzinom (EAC/CRC) eine Reihe von Genen aufgedeckt, die einer epigenetischen Drift und transkriptionellen Repression ausgesetzt zu sein scheinen (40, 41). Zukünftige Studien mit neuen epigenomischen Editierwerkzeugen sind erforderlich, um wichtige Drift-CpGs oder -CGIs zu charakterisieren, die bei der Krebsentstehung oder -progression ursächlich sein können, da wahrscheinlich nur ein sehr kleiner Teil der Drift-Gene von funktioneller Bedeutung ist. Kürzlich wurde altersbedingter DNAm mehrerer CGIs in normalem Gewebe mit der Entstehung von CIMP bei Dickdarmkrebs in Verbindung gebracht (90). Es bleibt abzuklären, ob Personen mit beschleunigter Alterung ein besonders hohes Risiko für die Entwicklung von CIMP-hohem Dickdarmkrebs haben könnten, nachdem normale Dickdarmzellen spontan erworben wurden BRAF Mutationen. Zweitens ist es plausibel, dass Personen, die prämaligne Läsionen entwickelt haben und ein hohes Krebsrisiko aufweisen, eine Altersbeschleunigung in ihrem normalen Risikogewebe aufweisen. Tatsächlich hat die epiTOC-Uhr eine Altersbeschleunigung in normalem Wangengewebe gezeigt, das Rauch ausgesetzt war, und in normalem Brustgewebe von Patienten mit Krebs. Es ist denkbar, dass eine ideale „Krebsrisikouhr“ gewebespezifisch arbeitet und die einzigartigen intrinsischen und extrinsischen Faktoren widerspiegelt, die auf das untersuchte Gewebe einwirken. Es ist auch wichtig zu bedenken, dass der Zusammenhang zwischen epigenetischem Altern und Krebsrisiko komplizierter sein könnte, als wir es erwarten. Um unser Verständnis von epigenetischem Altern und Krebs weiter zu verbessern, benötigen wir daher große Sammlungen von normalen Gewebeproben, die auf ihre methylomischen Veränderungen charakterisiert wurden und die eine strenge Risikofaktor-Annotation aufweisen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir trotz der jüngsten Fortschritte in unserem Wissen über Altern und Epigenomik immer noch ein unvollständiges Verständnis davon haben, wie Altern, der Hauptrisikofaktor für Krebs beim Menschen, das Krebsrisiko erhöht. Zweifellos ist das epigenetische Altern nicht nur eine „molekulare Uhr“ in Bezug auf Krebs. Das Öffnen des epigenetischen Uhrwerks und die Beobachtung, wie es sich mit zunehmendem Alter entfaltet, kann uns helfen, besser zu verstehen, wie sich normales Gewebe im Laufe der Zeit zu Krebs entwickelt.