Одновуглецевий метаболізм та іонізуюче випромінювання: багатогранна взаємодія

Ізабель Р. Міосс

Департамент навколишнього середовища та гігієни праці, Університет Арканзасу для медичних наук, Літл-Рок, AR 72205, США

Юлія Тобацик

Відділи охорони навколишнього середовища та праці, фармакології та токсикології, Університет медичних наук штату Арканзас, Літл-Рок, AR 72205, США

Степан Мельник

Кафедра педіатрії, Університет Арканзасу для медичних наук, Літл-Рок, AR 72205, США

С. Джилл Джеймс

Кафедра педіатрії, Університет Арканзасу для медичних наук, Літл-Рок, AR 72205, США

Амріта К. Чіма

Кафедри онкології та біохімії, молекулярної та клітинної біології, Медичний центр університету Джорджтаун, Вашингтон, округ Колумбія, 20057, США

Мар'ян Бурма

Відділ радіаційного здоров'я, Департамент фармацевтичних наук, Університет Арканзасу для медичних наук, Літл-Рок, AR 72205, США

Мартін Гауер-Йенсен

Ігор Котурбаш

Анотація

Іонізуюче випромінювання (ІЧ) є повсюдною складовою нашого середовища та важливим інструментом у дослідженнях та лікуванні. Водночас ІР є потужним генотоксичним та епігенотоксичним стресором, вплив якого може призвести до негативних наслідків для здоров’я. Хоча генотоксичність добре описана та охарактеризована, епігенетичні ефекти впливу ІЧ та їх механізми залишаються недостатньо дослідженими. У цьому концептуальному огляді ми пропонуємо індуковані ІЧ зміни одновуглецевого метаболізму як передумови змін у клітинному епігеномі. Ми також надаємо докази як експериментальних, так і клінічних досліджень, що описують взаємодію між ІЧ та одновуглецевим метаболізмом. Далі ми обговорюємо потенціал для маніпуляцій одновуглецевим метаболізмом у клінічних цілях з метою нормального захисту тканин та підвищення радіочутливості ракових клітин.

Вступ: іонізуюче випромінювання та епігенетика

Іонізуюче випромінювання (ІЧ) є повсюдним стресовим фактором навколишнього середовища та широко використовуваним інструментом у багатьох сферах людського життя. Одним з найбільших джерел опромінення ІЧ є медичне випромінювання, яке використовується як діагностичний та лікувальний метод. Приблизно 50% усіх онкологічних хворих отримують променеву терапію, і лише в США щорічно проводять понад 70 мільйонів комп’ютерної томографії (КТ) (1, 2), створюючи постійно зростаючу кількість пацієнтів, які регулярно піддаються впливу.

Хоча загальновизнано, що користь від медичного випромінювання перевищує ризики, існує значне занепокоєння щодо непередбачуваних побічних ефектів, оскільки вплив ІР може призвести до ряду негативних наслідків, включаючи розвиток раку та дегенеративних захворювань (3–5 ). Індукована радіацією геномна нестабільність та канцерогенез є стохастичними ефектами, де, здається, немає порогової дози, і ризик цих ефектів зростає із збільшенням дози. Крім того, вплив ІР може мати детерміновані наслідки, короткочасні та довгострокові травми в нормальних (непухлинних) тканинах, для яких, як видається, є пороговою дозою, нижче якої ці ефекти не виникають (6). Нормальна променева травма тканин може варіюватися від гострого променевого синдрому, який спостерігається після впливу великих частин тіла на відносно високі дози ІЧ, як правило, протягом декількох хвилин (7, 8), до ранньої та пізньої травми та несприятливого ремоделювання в тканинах які піддаються дії ІЧ під час променевої терапії. Побічні ефекти променевої терапії включають еритему шкіри після лікування раку молочної залози (9), променеву ентеропатію через опромінення кишкового тракту при рентгенотерапії живота (10) та фіброз в легенях та серці, який може розвинутися через кілька років після торакальної променевої терапії (11, 12).

Зараз загальновизнано, що як генотоксичні, так і епігенотоксичні властивості ІЧ підкреслюють механізми цих ефектів. У той же час, хоча здатність ІЧ пошкоджувати ДНК (генотоксичність) є добре відомим і добре охарактеризованим явищем, епігенетичні ефекти (або ті, що не пов'язані із змінами послідовності ДНК) впливу були виявлені порівняно недавно і є недостатньо зрозумілий.

Епігенетика - це дослідження спадкових змін у експресії генів, які не пов’язані із змінами первинної послідовності ДНК. Епігенетичні механізми регуляції включають метилювання ДНК, посттрансляційні модифікації гістонів, позиціонування нуклеосом уздовж ДНК та некодуючі РНК. Ці механізми життєво необхідні для нормального розвитку та підтримки клітинного гомеостазу. Зокрема, метилювання ДНК та гістонів регулює експресію генетичної інформації в клітині, тканині та специфічно для статі (13, 14). Вони також відіграють важливу роль у контролі експресії повторюваних елементів (РЕ) - транспонуваних елементів та супутникової ДНК - які разом складають понад половину геномів ссавців (15).

Зміни метилювання ДНК та/або гістону можуть суттєво впливати на клітинний епігеном, приводячи до зміненої експресії гена та РЕ, що призводить до геномної нестабільності та розвитку патологічних станів, включаючи рак. Насправді втрата глобального метилювання ДНК була першою епігенетичною зміною, про яку повідомлялося практично у всіх ракових пухлин людини (16, 17). Пізніше про гіперметилювання ДНК у промоторних ділянках генів-супресорів пухлини також повідомлялося при різних видах раку (18–20). Подальші дослідження продемонстрували, що епігенетичні зміни, насамперед зміни ДНК та метилювання гістону, є не просто наслідками раку, але часто можуть служити рушієм канцерогенезу і можуть бути виявлені на ранніх стадіях розвитку раку (21–25).

Виявлення епігенетичних змін у пухлинах, пов'язаних з професійним опроміненням, свідчить про те, що епігенетика також може сприяти ІЧ-індукованому канцерогенезу. Наприклад, гіперметилювання генів p16INK4a (26) та GATA5 (27) спостерігалось у аденокарциномах легенів працівників, що піддаються професійному впливу, порівняно з аденокарциномами з когорти пацієнтів, які не отримували експозицію. Подальші дослідження з використанням експериментальних моделей гризунів переконливо показали, що ІЧ впливає на метилювання ДНК та гістону в органах-мішенях, таких як кістковий мозок, тимус та селезінка (28). Більшість існуючої в цій галузі літератури вказує, що вплив доз ІК 1 Гр і вище зазвичай характеризується втратою глобального метилювання ДНК у цих органах (29–32). Подальші дослідження продемонстрували, що спостережувані зміни в метилюванні ДНК в основному походять від РЕ, тоді як генно-специфічні зміни, здається, менш очевидні (33–36).

Менше відомо про вплив ІР на метилювання гістону, однак ці зміни характеризуються насамперед втратою метилювання гістону від годин до кількох днів після опромінення, подібно до впливу на метилювання ДНК. Наприклад, мітки гістонів, які відповідають за утворення транскрипційно тихої структури гетерохроматину - триметилування гістону H3 лізину 9 (H3K9me3) та гістону H4 лізину 20 (H4K20me3) - негативно регулюються після впливу ІК як у низьких, так і у високих дозах (30, 37). Ця розслаблена структура хроматину може полегшити доступ ремонтних комплексів до місць пошкодження ДНК. У той же час метилювання гістонів, як правило, більш лабільне, ніж метилювання ДНК, і часто зміни, що спостерігаються незабаром після опромінення, не виявляються в подальші моменти часу (37).

Індуковані радіацією зміни метилювання ДНК та гістонів

Незважаючи на значний прогрес у радіаційній епігенетиці за останнє десятиліття, механізми радіаційно-індукованих змін ДНК та метилювання гістонів залишаються в основному невідомими. Запропоновано низку гіпотез, які пропонують різні механізми, включаючи порушену функцію ДНК та гістон-метилтрансфераз, втручання пошкодження ДНК із здатністю ДНК-метилтрансфераз метилювати ДНК, пошкодження та відновлення ДНК та індуковану радіацією проліферацію (назвати декілька). оглянуто в посиланні 28).

ДНК та гістонові метилтрансферази є ключовими ферментами, необхідними для метилювання двох вищезазначених субстратів. Хоча існує обмежена кількість ДНК-метилтрансфераз (DNMT), які в основному представлені переважно підтримуючою ДНК-метил-трансферазою DNMT1 та de novo метилтрансферазами Dnmt3a та Dnmt3b, метилуванню гістону у різних залишках сприяють специфічні гістонові метилтрансферази.

Показано, що ІЧ впливає на рівень мРНК та білка ДНК-метилтрансфераз, а також на їх ферментативну активність. Зокрема, виявлено, що рівні менотрансфераз ДНК mnt3a та Dnmt3b de novo знижувались через 3 місяці після загального опромінення тіла до низьких поглинених середніх доз або важких залізних речовин (56 Fe), або протонів на миші (38). Подібним чином вплив рентгенівських променів із низькими дозами призводив до одночасного зниження рівня білка Dnmt1, Dnmt3a та Dnmt3b в мишачому тимусі (30). Цікаво, що в тому ж дослідженні автори також продемонстрували індуковану ІЧ-втратою триметилювання гістону H4 лізину 20 (H4K20me3), однак статус метилаз та деметилаз, специфічних для цієї марки гістонів, не оцінювали.

В клітинних лініях виявлено, що активність ядерної ДНК-метилтрансферази знижується до 3 днів після впливу γ-променів на 10 Гр (39). Одночасно спостерігалося паралельне збільшення цитоплазматичної активності метилтрансферази ДНК. Секвестрація Dnmt1 в цитоплазмі в її активній формі може суттєво сприяти індукованому ІЧ-гіпометилюванням ДНК (40).

Окрім впливу на метилтрансферази, накопичувані дані свідчать про те, що ІР також впливає на доступність донорів метилу (38, 41). Як метилювання ДНК, так і гістону вимагає пожертви групи СН3 від універсального донора метилу S-аденозилметионіну (SAM). Додавання цих метильних груп змінює спосіб взаємодії білків із ділянкою ДНК або хроматином і, в свою чергу, впливає на рівень експресії цієї області. Будь-який вплив на доступність донорів метилу та ферментів, відповідальних за їх метаболізм, внаслідок цього впливатиме на рівень метилювання ДНК та гістону. Ці метильні групи, що використовуються для метилювання ДНК та гістону, походять від метаболізму з одним вуглецем.

Одновуглецевий метаболізм

Реакції, пов’язані з перенесенням метильної групи від SAM до акцепторних молекул та регенерацією SAM, є ключовими компонентами фолат-залежного метаболізму одного вуглецю (рис. 1). Останній пов’язує між собою регуляцію генів, синтез амінокислот, пурину та піримідину, чотири вітаміни та антиоксиданти, щоб назвати декілька та понад сотню реакцій біометилювання (42). Наслідки змін у цьому шляху впливають майже на всі клітинні функції.