Эпигенетические изменения в островках Лангерганса при сахарном диабете связаны с дисфункцией митохондрий

Сахарный диабет 2 типа (СД2) характеризуется гипергликемией, вызванной недостаточным высвобождением инсулина из островков поджелудочной железы, часто в сочетании с инсулинорезистентностью. К заболеваниям могут приводить нарушения эпигенетической регуляции, и в случае СД2 есть доказательства такой связи. Эксперименты на культивируемых β-клетках показали дифференциальное метилирование ДНК и экспрессию генов-кандидатов, предположительно ответственных за развитие СД2 (CDKN1A, PDE7B, PARK2 и SOCS2). В других работах повышенное метилирование ДНК подобных генов-кандидатов (INS, PDX1, GLP1R и PPARGC1A) в островках поджелудочной железы было связано со снижением их экспрессии и прекращением секреции инсулина, что дополнительно подтверждает роль эпигенетической регуляции при сахарном диабете. Однако не установлено, являются ли выявленные эпигенетические изменения следствием или причиной заболевания у людей.

Международная группа ученых под руководством специалистов из Лундского университета (Швеция) провела исследование эпигенома островков поджелудочной железы на крупной когорте людей с СД2. Исследователи проверили, связаны ли эпигенетические изменения с уровнем гликированного гемоглобина (HbA1c) у людей, которым ранее не диагностировали диабет. Также на основании данных метилирования ДНК в образцах крови пациентов из проспективной когорты они изучили, ассоциированы ли такие изменения с развитием СД2 в будущем. Кроме этого, ученые объединили полученные результаты с информацией об экспрессии, открытых областях хроматина (OCR), связывания факторов транскрипции и модификациях гистонов в островках поджелудочной железы. Результаты работы они опубликовали в журнале Nature Communications.

Ученые проанализировали паттерны метилирования ДНК 816 888 сайтов в островках поджелудочной железы у 25 доноров с диагнозом СД2 и 75 пациентов без диабета из контрольной группы. У больных сахарным диабетом они выявили 31 806 сайтов с дифференциальным метилированием, и метилирование 24 546 из них было ассоциировано с СД2 после внесения поправки на клеточный состав. В 77% случаев уровень метилирования в островках при СД2 был ниже в сравнении с контрольной группой. Наибольшая абсолютная разница в метилировании составила 21,1% — такое снижение было выявлено в гене DNAH17, сниженный уровень метилирования которого уже был показан для рака печени. В случае повышенного метилирования наибольшая разница составила 19,5%; ее обнаружили в гене LCE3C, связанном с аутоиммунными заболеваниями.

Помимо изменений метилирования авторы работы проанализировали, как меняется экспрессия генов в островках поджелудочной железы при диабете. Они выявили 203 гена, дифференциально экспрессирующихся у пациентов с сахарным диабетом 2 типа по сравнению с контрольной группой. Ассоциированные с СД2 изменения метилирования были обнаружены в энхансерах и областях, связанных с транскрипционными факторами, специфичными для β-клеток, которые ответственны за снижение экспрессии генов CABLES1, FOXP1, GABRA2, GLR1A, RHOT1 и TBC1D4.

Известно, что повышенный уровень глюкозы в крови служит прогностическим фактором риска развития СД2. Специалисты изучили связь между уровнями гликированного гемоглобина (HbA1c) и метилированием ДНК в островках у 114 человек, у которых ранее не был диагностирован СД2. Они обнаружили 10 938 сайта, метилирование которых было ассоциировано с уровнем HbA1c. Из них, метилирование 5584 сайтов было связано как с СД2, так и с HbA1c. Из этих сайтов 4047 имели отрицательную связь с HbA1c и метилированы на более низких уровнях в случаях СД2, тогда как 1537 были положительно связаны с HbA1c и повышенным метилированием при СД2. Это позволяет предположить, что уровни метилирования, связанные с HbA1c, могут предсказывать развитие СД2 в будущем.

Анализируя роль отдельных генов, дифференциально экспрессирующихся при СД2, ученые обнаружили, что ген RHOT1 служит ключевым регулятором секреции инсулина в островках поджелудочной железы человека. Он кодирует Rho ГТФазу (MIRO1), которая регулирует кальций-зависимый митохондриальный транспорт. Чтобы подтвердить роль RHOT1 в развитии СД2, они выключили Rhot1 в β-клетках с помощью siРНК. Дефицит Rhot1 в β-клетках приводил к снижению секреции инсулина, соотношения АТФ/АДФ, митохондриальной массы, ионов Са2⁺ и дыхания. В дефицитных по Rhot1 β-клетках также изменяется уровень таких регуляторов митохондриальной динамики и метаболитов, как L-пролин, глицин, ГАМК и карнитины. Чтобы изучить RHOT1 in vivo, исследователи использовали крыс Гото-Какидзаки — линии, моделирующей инсулиннезависимый диабет. Они обнаружили почти полное отсутствие белка Rhot1 в островках поджелудочной железы взрослых крыс, тогда как молодые животные, у которых только происходило развитие заболевания, имели промежуточные уровни.

Данная работа показала, что у пациентов с сахарным диабетом 2 типа наблюдаются эпигенетические изменения, связанные с митохондриальной дисфункцией островков поджелудочной железы. Ученые также обнаружили эпигенетические особенности, связанные с развитием СД2 в будущем. Эту информацию можно использовать для профилактики, замедления прогрессирования заболевания и уменьшения долгосрочных осложнений у пациентов.

При диабете 2 типа нарушается регуляция молекулярных путей, не связанных с инсулином