Riepilogo epigenetico:
L'aumento della prevalenza dell'obesità e delle relative comorbidità è un grave problema di sanità pubblica. Mentre i fattori genetici hanno indubbiamente un ruolo nel determinare la sensibilità individuale all'aumento del peso e all'obesità, le varianti genetiche identificate spiegano solo una parte della variazione. Ciò ha portato ad un crescente interesse per comprendere il ruolo potenziale dell'epigenetica come mediatore di interazioni gene-ambiente che sottendono lo sviluppo dell'obesità e delle relative comorbidità. Le prove iniziali a sostegno di un ruolo di epigenetica nell'obesità e nel diabete mellito di tipo 2 (T2DM) sono state fornite principalmente da studi sugli animali che hanno riportato cambiamenti epigenetici nei tessuti chiave metabolicamente importanti dopo l'alimentazione ad alto contenuto di grassi e differenze epigenetiche tra animali magri e obesi e studi umani che hanno mostrato cambiamenti epigenetici nell'obesità e nei geni candidati T2DM in individui obesi / diabetici. Più di recente, i progressi nelle metodologie epigenetiche e il costo ridotto degli studi sull'associazione di epigenomi (EWAS) hanno portato ad una rapida espansione degli studi nelle popolazioni umane. Questi studi hanno inoltre riportato differenze epigenetiche tra adulti obesi / T2DM e controlli sani e cambiamenti epigenetici in associazione con interventi di nutrizione, perdita di peso e di esercizio. C'è anche una maggiore evidenza da studi sia umani che animali che il rapporto tra le esposizioni nutrizionali perinatali e il rischio successivo di obesità e T2DM può essere mediato da cambiamenti epigenetici nella prole. L'obiettivo di questo riesame è quello di riassumere gli sviluppi più recenti in questo campo in rapida evoluzione, con particolare riguardo all'EWAS umano e studi sull'influenza dei fattori nutrizionali e di stile di vita (sia pre- che postnatal) sull'epigenoma e sul loro rapporto con i metabolici risultati di salute. Si affrontano anche le difficoltà di distinguere le conseguenze dalla causalità in questi studi e il ruolo critico dei modelli animali per la sperimentazione di rapporti causali e fornire approfondimenti sui meccanismi sottostanti. In sintesi, l'area dell'epigenetica e della salute metabolica ha visto sviluppi rapidi in un breve lasso di tempo. Mentre i risultati finora sono promettenti, gli studi sono in corso e il prossimo decennio promette di essere un momento di ricerca produttiva sulle complesse interazioni tra il genoma, l'epigenoma e l'ambiente in quanto riguardano la malattia metabolica.
parole chiave: Epigenetica, metilazione del DNA, obesità, diabete di tipo 2, programmazione dello sviluppo
Sommario
In una società in cui il cibo denso di energia è abbondante e il bisogno di attività fisica è basso, vi è un'ampia variazione nella suscettibilità degli individui a svilupparsi obesità e problemi di salute metabolici. Le stime del ruolo dell'eredità in questa variazione sono nell'intervallo di 40-70%, e mentre gli studi di associazione di grandi dimensioni su genoma (GWAS) hanno individuato un certo numero di siti genetici associati al rischio di obesità, solo le varianti genetiche ~ 100 rappresentano un qualche percento di varianza nell'obesità [2, 3]. Le stime del livello genomico sono più alte, tenendo conto di ~ 20% della variazione [3]; tuttavia, una grande parte dell'ereditabilità rimane inspiegabile.
Recentemente, l'attenzione si è concentrata sullo studio del ruolo dei cambiamenti epigenetici nell'eziologia dell'obesità. È stato sostenuto che l'epigenoma può rappresentare il legame meccanicistico tra varianti genetiche e ambientali fattori per determinare il rischio di obesità e potrebbero contribuire a spiegare la "eredità mancante". I primi studi epigenetici umani erano piccoli e solo indagato un numero limitato di loci. Mentre questo ha generato generalmente una scarsa riproducibilità, alcuni di questi primi risultati, ad esempio la relazione tra la metilazione PGC1A e il diabete mellito di tipo 2 (T2DM) [4] e altri come discusso in van Dijk et al. [5], sono stati replicati negli studi successivi. I recenti progressi e la maggiore accessibilità delle tecnologie ad alto rendimento consentono ora di studi su ampia scala di epigenomi su vasta scala (EWAS) e l'integrazione di diversi strati di informazioni genomiche per esplorare le complesse interazioni tra il genotipo, l'epigenoma, il trascrittome e l'ambiente [6- 9]. Questi studi sono ancora in fase di infanzia, ma i risultati finora hanno mostrato promesse per aiutare a spiegare la variazione della suscettibilità all'obesità.
C'è sempre più evidenza che l'obesità ha sviluppato origini mentali, poiché l'esposizione ad un'alimentazione sub-ottimale prima della nascita o all'infanzia è associata ad un aumento del rischio di obesità e malattie metaboliche nella vita successiva [10-13]. Inizialmente, gli studi sugli animali hanno dimostrato che una serie di esposizioni nutrizionali precoci di vita, in particolare quelle sperimentate all'inizio della gestazione, potrebbero indurre variazioni epigenetiche nei tessuti metabolici chiave della prole che persistono dopo la nascita e provocano alterazioni permanenti nella funzione genica [13-17]. Evidenti emergono per sostenere l'esistenza dello stesso meccanismo negli esseri umani. Ciò ha portato alla ricerca di marcature epigenetiche presenti nella fase precoce della vita che prevedono il rischio successivo di malattia metabolica e studi per determinare se la programmazione epigenetica di una malattia metabolica potrebbe essere impedita o invertita nella vita successiva.
Questa recensione fornisce un aggiornamento della nostra precedente revisione sistematica degli studi sull'epigenetica e l'obesità nell'uomo [5]. La nostra recensione precedente ha mostrato i risultati promettenti degli studi iniziali, inclusi i primi segni epigenetici potenziali per l'obesità che potrebbero essere rilevati alla nascita (ad esempio, RXRA) [18]. Tuttavia, ha anche evidenziato la limitata riproducibilità dei risultati e la mancanza di indagini longitudinali su larga scala. L'attuale rassegna si concentra sui recenti sviluppi in questo campo in rapida evoluzione e, in particolare, sull'EWAS umano e sugli studi sull'influenza dei fattori nutrizionali e di vita (pre- e postnatali) sull'epigenoma e sul ruolo emergente dell'epigenetica nella patologia dell'obesità . Inoltre affrontiamo le difficoltà nell'individuazione della causalità in questi studi e l'importanza dei modelli animali per fornire approfondimenti sui meccanismi.
Gli studi sugli animali hanno svolto un ruolo fondamentale nella nostra attuale comprensione del ruolo dell'epigenetica nelle origini dello sviluppo dell'obesità e del T2DM. Entrambe aumentate e diminuite nutrizione materna durante la gravidanza sono state associate ad una maggiore deposizione di grassi nella prole della maggior parte delle specie mammiferi studiate finora (riesaminate in [11, 13-15, 19]). La nutrizione materna durante la gravidanza non solo ha un potenziale per gli effetti diretti sul feto, ma può anche influire direttamente sugli oociti in sviluppo di femmine e cellule germinali primordiali di feti maschili e quindi potrebbero influenzare sia la primavera che la nonna. Di conseguenza, i dati multigenerazionali sono solitamente necessari per differenziare i meccanismi di trasmissione intergenerazionale materna e trans-generazionale.
Tabella 1 sintetizza una varietà di modelli animali che sono stati utilizzati per fornire evidenza di cambiamenti metabolici e epigenetici nei figli associati al piano parentale della nutrizione. Inoltre contiene informazioni relative a studi che identificano alterati marcature epigenetici in soggetti adulti che subiscono sfide nutrizionali dirette. La tabella è strutturata dal tipo di trasmissione del rischio suggerito.
Sfruttando le prove degli studi sugli animali e con la crescente disponibilità di strumenti accessibili per l'analisi genoma, si è registrata una rapida espansione degli studi epigenomi negli esseri umani. Questi studi si sono concentrati principalmente sull'identificazione delle differenze specifiche del sito nella metilazione del DNA associate a fenotipi metabolici.
Una questione fondamentale è la misura in cui le modificazioni epigenetiche contribuiscono allo sviluppo del fenotipo metabolico piuttosto che semplicemente essere una sequenza di esso (Fig. 1). La programmazione epigenetica potrebbe contribuire allo sviluppo dell'obesità, oltre a svolgere un ruolo in conseguente rischio di problemi cardiovascolari e metabolici. Negli studi umani è difficile dimostrare la causalità [44], ma si possono fare inferenze da una serie di linee di prova:
(ii) Timing dei cambiamenti epigenetici. La presenza di un marchio epigenetico prima dello sviluppo di un fenotipo è una caratteristica essenziale associata alla causalità. Al contrario, la presenza di un marchio in associazione con l'obesità, ma non prima del suo sviluppo, può essere usata per escludere la causalità, ma non escludere un possibile ruolo nella patologia successiva dell'obesità.
(iii) Conclusione plausibile del meccanismo. Ciò si riferisce ai cambiamenti epigenetici associati all'espressione alterata di geni con un ruolo determinato nella regolazione del fenotipo di interesse. Un esempio di questo tipo è l'associazione della metilazione a due siti CpG del gene CPT1A con livelli di trigliceridi circolanti [50]. CPT1A codifica la carnitina palmitoyltransferase 1A, un enzima che ha un ruolo centrale nel metabolismo degli acidi grassi e questo è fortemente indicativo che la metilazione differenziale di questo gene può essere causale correlata alle alterazioni delle concentrazioni plasmatiche di trigliceridi.
Un certo numero di recenti indagini si sono concentrate sull'analisi di associazioni tra obesità e malattie metaboliche e la metilazione del DNA attraverso il genoma (Tabella 2). Il più grande EWAS pubblicato finora, incluso un totale di individui 5465, ha individuato siti di metilazione 37 nel sangue associati all'indice di massa corporea (BMI), compresi siti in CPT1A, ABCG1 e SREBF1 [51]. Un altro studio su larga scala ha mostrato associazioni consistenti tra BMI e metilazione in HIF3A nel sangue intero e nel tessuto adiposo [52], una constatazione anche parzialmente replicata in altri studi [9, 51]. Altre associazioni recentemente riportate tra le misure relative all'obesità e la metilazione del DNA includono (i) le differenze di metilazione del DNA tra la magra e la obeso individui in LY86 nei liucociti di sangue [53]; (ii) associazioni tra la metilazione del promotore PGC1A nel sangue intero dei bambini e l'adiposità 5 anni dopo [54]; (iii) associazioni tra rapporto tra vita-anca e metilazione ADRB3 nel sangue [55]; e (iv) associazioni tra BMI, misure di distribuzione del grasso corporeo e siti di metilazione multiple in tessuto adiposo [9, 56]. EWAS ha anche mostrato associazioni tra siti di metilazione del DNA e lipidi nel sangue [55, 57-59], metaboliti del siero [60], resistenza all'insulina [9, 61] e T2DM [48, 62, 63].
Altri studi recenti hanno dimostrato che la sovratensione nutrizionale prenatale e un ambiente materno obeso o diabetico sono associati anche ai cambiamenti di metilazione del DNA nei geni correlati allo sviluppo embrionale, alla crescita e alla malattia metabolica nella prole [70-73].
Mentre i dati umani sono scarsi, ci sono indicazioni che l'obesità paterna può portare alla alterazione della metilazione di geni imprintati nel neonato [74], un effetto che si pensa di essere mediato attraverso i cambiamenti epigenetici acquisiti durante la spermatogenesi.
Complessivamente, le prove a sostegno della capacità di modulare l'epigenoma negli adulti suggeriscono che ci può essere la possibilità di intervenire nella vita postnatale per modulare o invertire la programmazione epigenetica avversa.
La rilevanza biologica dei cambiamenti di metilazione relativamente piccoli è stata interrogata. Tuttavia, nei tessuti costituiti da una miscela di tipi di cellule, un piccolo cambiamento nella metilazione del DNA può effettivamente riflettere un cambiamento significativo in una frazione cellulare specifica. L'integrazione dei dati epigenomiali con il trascrittome e altri dati epigenetici, come le modificazioni dell'istone, è importante, poiché i piccoli cambiamenti di metilazione del DNA potrebbero riflettere maggiori cambiamenti nella struttura della cromatina e potrebbero essere associati a cambiamenti più ampi nell'espressione genica. Occorre inoltre considerare il contesto genomico; piccole modifiche all'interno di un elemento regolatore come un promotore, un enhancer o un isolante possono avere significato funzionale. A questo proposito, DMRs per l'obesità, così come le regioni colpite da esposizione alla carestia prenatale e meQTL per i tracciati del metabolismo sono stati osservati per sovrapporre elementi di potenziamento [8, 43, 68]. Ci sono prove che la metilazione del DNA nelle regioni associate alla carestia potrebbe infatti influire sull'attività di miglioramento [68], sostenendo un ruolo di cambiamenti di metilazione indotti dalla nutrizione nella regolazione del gene.
Un grosso limite in molti studi sull'uomo è che i segni epigenetici sono spesso valutati nel sangue periferico, piuttosto che in tessuti metabolicamente rilevanti (Fig. 2). L'eterogeneità del sangue è un problema, dal momento che diverse popolazioni cellulari hanno distinte firme epigenetiche, ma sono stati sviluppati algoritmi per stimare la composizione cellulare per superare questo problema [86]. Forse ancora più importante, i segni epigenetici nelle cellule del sangue potrebbero non necessariamente riportare lo stato dei tessuti di interesse primario. Nonostante questo, studi recenti hanno fornito una chiara evidenza di una relazione tra segni epigenetici nelle cellule del sangue e BMI. Nel caso di HIF3A per il quale il livello di metilazione (beta-valore) nella popolazione dello studio variava da 0.14-0.52, un aumento di 10% nella metilazione era associato a un aumento del BMI di 7.8% [52]. Allo stesso modo, una differenza di 10% nella metilazione PGC1A può prevedere fino alla differenza di 12% della massa del grasso [54].
Lo studio del ruolo dell'epigenetica nell'obesità e nella malattia metabolica si è rapidamente ampliato negli ultimi anni e si stima che si sia accumulato un legame tra modificazioni epigenetiche e risultati metabolici della salute negli esseri umani. Potenziali biomarcatori epigenetici associati all'obesità e alla salute metabolica sono emersi anche dagli studi recenti. La validazione dei segni epigenetici in più coorti, il fatto che diversi marchi sono trovati nei geni con una funzione plausibile nell'obesità e nello sviluppo di T2DM, nonché la sovrapposizione di marcature epigenetiche con obesità nota e locani genetici T2DM rafforza l'evidenza che queste associazioni sono vero. La causalità è stata finora stata difficile da stabilire; tuttavia, indipendentemente dal fatto che le associazioni siano causali, i segni epigenetici identificati possono ancora essere rilevanti come biomarcatori per l'obesità e il rischio di malattia metabolica.
Le dimensioni degli effetti nei tessuti facilmente accessibili come il sangue sono piccoli ma sembrano riproducibili nonostante variazioni di etnia, tipo di tessuto e metodi di analisi [51]. Inoltre, anche piccoli cambiamenti di metilazione del DNA possono avere significato biologico. Un approccio "omic" integrativo sarà cruciale per approfondire ulteriormente le complesse interazioni tra l'epigenoma, il trascrittoma, il genoma e la salute metabolica. Studi longitudinali, ideali per molte generazioni, sono essenziali per stabilire relazioni causali. Possiamo aspettarci altri studi in futuro, ma ci vorrà molto tempo.
Mentre gli studi sugli animali continuano a dimostrare un effetto di vita precoce nutrizionale esposizione sull'epigenoma e sulla salute metabolica della prole, i dati sull'uomo sono ancora limitati. Tuttavia, recenti studi hanno fornito chiaro evidenze che l'esposizione all'alimentazione sub-ottimale durante periodi specifici di sviluppo prenatale è associata a cambiamenti di metilazione nella prole e quindi hanno il potenziale per influenzare il fenotipo adulto. Gli studi sugli animali saranno importanti per verificare i ritrovamenti umani in un ambiente più controllato, aiutare a determinare se i cambiamenti di metilazione identificati abbiano un impatto sulla salute metabolica e svelare i meccanismi che sottendono questo regolamento epigenetico intergenerazionale / transgenerazionale. L'identificazione dei meccanismi causali sottesi alle risposte della memoria metabolica, il modo di trasmissione degli effetti fenotipici in generazioni successive, il grado di impatto e la stabilità del tratto trasmesso e l'identificazione di un contesto evolutivo che si sovrappone ed unisce, rimangono anche questioni importanti da affrontare . Quest'ultimo è spesso incapsulato dall'ipotesi predittiva di risposta adattativa, vale a dire una risposta a un futuro ambiente anticipato che aumenta la forma della popolazione. Tuttavia, questa ipotesi è stata sempre più posta in discussione poichè ci sono limitate prove per una maggiore forma fisica più tardi nella vita [87].
In sintesi, i risultati sono promettenti, poiché i cambiamenti epigenetici sono legati alla salute metabolica degli adulti e agiscono come mediatore tra alterata nutrizione prenatale e il conseguente aumento del rischio di scarsa esposizione metabolica metabolica. Sono stati identificati nuovi segni epigenetici associati a misure di salute metabolica. L'integrazione di diversi strati di informazioni genomiche ha aggiunto un ulteriore supporto alle relazioni causali e sono stati ulteriori studi che mostrano gli effetti dell'ambiente pre- e postnatale sull'epigenoma e sulla salute. Mentre rimangono molte importanti domande, i recenti progressi metodologici hanno permesso ai tipi di studi di base su larga scala che dovranno affrontare le lacune della conoscenza. Il prossimo decennio promette di essere un periodo di grande attività in questo importante settore di ricerca.
Susan J. van Dijk1, Ross L. Tellam2, Janna L. Morrison3, Beverly S. Muhlhausler4,5 † e Peter L. Molloy1 * †
Interessi conflittuali
Gli autori dichiarano di non avere interessi in gioco.
Contributi degli autori
Tutti gli autori hanno contribuito alla redazione e alla revisione critica del manoscritto, e tutti gli autori hanno letto e approvato il manoscritto finale.
Informazioni sugli autori
Beverly S. Muhlhausler e Peter L. Molloy sono degli ultimi autori.
Ringraziamenti
Questo lavoro è stato sostenuto da una sovvenzione del fondo per la scienza e l'industria (Grant RP03-064). JLM e BSM sono supportati dalle borse di studio per lo sviluppo della carriera (JLM, APP1066916, BSM, APP1004211) della National Health and Medical Research Council. Ringraziamo Lance Macaulay e Sue Mitchell per la lettura critica e le osservazioni sul manoscritto.
Dettagli dell'autore
1CSIRO Flagship Food and Nutrition, casella postale 52, North Ryde, NSW 1670, Australia. 2CSIRO Agriculture Flagship, 306 Carmody Road, St Lucia, QLD 4067, Australia. 3Early Origini del gruppo di ricerca sulla salute degli adulti, Facoltà di Farmacia e Scienze Mediche, Istituto Sansom per la ricerca sanitaria, Università del Sud Australia, GPO Box 2471, Adelaide, SA 5001, Australia 4FOODplus Research Center, Campus Waite, Università di Adelaide, PMB 1, Glen Osmond, SA 5064, Australia. 5Women's e Istituto di ricerca per la salute dei bambini, 72 King William Road, North Adelaide, SA 5006, Australia.
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