Фармакоепигенетика

Фармакоепигенетика ― поле во подем што ги проучува основните епигенетски шеми на обележување што доведуваат до варијации во одговорот на поединецот на медицински третман.
1 Заднина
Поради генетска хетерогеност, фактори на животната средина и патофизиолошки причини, поединците кои покажуваат слично изразување на болеста може различно да реагираат на идентични третмани со лекови. Изборот на третмани врз основа на фактори како што се возраста, површината на телото, тежината, полот или фазата на болеста се покажа дека нецелосно го решава овој проблем, така што медицинските професионалци се префрлаат кон користење на геномските податоци на пациентот за да изберат соодветни третмани. Сега, зголемениот број докази покажуваат дека епигенетиката исто така игра важна улога во одредувањето на безбедноста и ефикасноста на третманот со лекови кај пациентите. Епигенетиката е мост што ги поврзува поединечните генетики и факторите на животната средина за да објасни некои аспекти на генското изразување. Поточно, факторите на околината имаат потенцијал да ги променат нечии епигенетски механизми со цел да влијаат на изразувањето на гените. На пример, пушењето цигари може да ја промени состојбата на метилација на ДНК на гените и со тоа изразување на гените преку различни механизми.
Епигенетските промени во гените предизвикани од фактори како што е околината може да резултираат со абнормално генско изразување и почеток на болести. Напредокот на болестите дополнително ги менува епигенетските обрасци на целиот геном. Додека епигенетските промени се претежно долготрајни, а во некои случаи трајни, сè уште постои потенцијал да биде променета епигенетската состојба на генот. Така, лекови се развиени за да целат кон аберантните епигенетски обрасци во клетките за да ја активираат или потиснат генското изразување на епигенетски изменетиот ген. Ова е познато како епигенетска терапија. Покрај тоа што се цели на лекови, епигенетските промени се користени и како дијагностички и прогностички показатели за да биде предвиден ризикот и напредокот на болеста, а тоа може да биде корисно за подобрување на медицината за едно лице.
Развојот на Проектот за човечкиот епигеном и напредокот во епигеномиката довело до растечко поле познато како фармакоепигенетика. Фармакоепигенетиката првично била развиена за да проучува како епигенетските модели на преносителите на лекови, ензимите кои го метаболизираат лекот и јадрените рецептори влијаат на одговорот на поединците на лекот. Сега, фармакоепигенетиката има дополнителен фокус: развој на терапевтски епилекови кои можат да направат промени во епигеномот со цел да ја намалат причината или симптомите на болеста кај поединецот. И покрај тоа што сè уште останува голем јаз помеѓу знаењето за епигенетските изменувања на механизмите на метаболизмот на лековите и клиничките примени, фармакоепигенетиката станала брзо растечко поле кое има потенцијал да игра важна улога во медицината за едно лице.
Со цел да бидат развиени ефективни епигенетски терапии, важно е да бидат разбрани основните епигенетски механизми и белковините кои се вклучени. Различни механизми и изменувања играат улога во епигенетското ремоделирање и сигнализација, вклучувајќи метилација на ДНК, хистонско изменување, ковалентни изменувања, транскрипти на РНК, микро РНК, информациска РНК, мала интерферациска и позиционирање на нуклеозомите. Особено, научниците опширно ги проучувале поврзувањата на метилација на ДНК, хистонски изменувања, регулаторна микро РНК со развојот на болести.
Метилацијата на ДНК е најшироко проучуваниот епигенетски механизам. Повеќето од нив се појавуваат на цитозинско-гванинските места. Метилтрансферазата на ДНК е регрутирана на местото и додава метил групи на цитозинот на цитозинско-гванинските динуклеотиди. Ова им овозможува на белковините кои се врзуваат со метил и цитозин-гванин да се врзат за метилираното место и да предизвикаат надолна регулација на гените. Хистонското изменување главно е постигнувано со изменување на N-терминалните опашки на хистоните. Механизмите вклучуваат ацетилација, метилација, фосфорилација, унбиквитинација итн. Тие влијаат на набивањето на структурата на хроматинот, на пристапноста на ДНК, а со тоа и на нивото на транскрипција на специфичните гени.
Дополнително, микро РНК е вид некодирачка РНК која е одговорна за менување на генското изразување со целење и обележување на транскриптите на информациска РНК за деградација. Бидејќи оваа постапка е послетранскрипционо изменување, таа не вклучува промени во секвенцата на ДНК. Изразувањето на микро РНК е регулирано и со други епигенетски механизми. Аберантното изразување на микро РНК го олеснува развојот на болеста, што ги прави добри цели за епигенетски терапии. Епигенетските белковини вклучени во регулирањето на генската транскрипција спаѓаат во три категории - пишувачи, бришачи и читачи. И пишувачите и бришачите имаат ензимска активност што им овозможува ковалентно да ги изменуваат ДНК-овите или хистонските белковини. Читачите имаат способност да препознаат и да се врзат за одредени места на хроматин за да ги променат епигенетските потписи.
Откако ќе бидат разбрани основните епигенетски механизми, станува возможно да бидат развиени нови начини за менување на епигенетските знаци како што се „епилекови“ или уредување на епигеномот, што е препишување на епигенетските обрасци со помош на вештачки сигнали за насочување на епигенетските протеини кон целните локуси. Понатаму, врз основа на уникатните епигенетски шеми на пациентите, медицинските професионалци можат попрецизно да доделат безбеден и ефективен третман вклучувајќи соодветни епигенетски лекови прилагодени на пациентот.
2 Одговор кон лекот и метаболизам
Поединечните разлики во метаболизмот и одговорот на лекот може делумно да бидат објаснети со епигенетските промени. Епигенетските промени во гените кои ги кодираат целите на лекот, ензимите или преносните белковини кои влијаат на способноста на телото да прима, метаболизира, распределува и излачува супстанции што се туѓи за телото ( ксенобиотици) може да резултираат со промени во нивото на токсичност и одговорот на лекот. Еден од главните ефекти на изложеноста на лекот рано во животот е изменетото генско изразување во ADME во примањето, распределбата, метаболизмот и лачењето). Постојат докази дека овие гени се контролирани со метилација на ДНК, хистонска ацетилација и микро РНК-ки. Новото поле кое се појавува, тесно поврзано со фармакоепигенетиката, е токсикоепигенетиката која ги опфаќа токсиколошките епигенетски промени како резултат на изложеноста на различни соединенија (лекови, храна и животна средина). На ова поле, постои зголемен интерес за картирањето на промените во хистонските изменувања и нивните можни последици.
Треба да биде разбрано повеќе за овие механизми, но треба надеж дека тоа може да доведе до правилен избор и дозирање на лекот. Дополнително, отпорноста на лекот може да биде стекната преку епигенетски механизми. Ова е особено честа појава во хемотерапијата, каде што клетките кои развиваат отпорност на третман продолжуваат да се делат и преживуваат. Плановите за фармакоепигенетски третман може да се состојат од една класа на епилек или да комбинираат неколку во единствена терапија. Следниве се примери за тоа како одговорот на лекот или белковините поврзани со метаболизмот се регулирани со епигенетски механизми:
2.1 Cyp2e1, метилација на ДНК и хистонска ацетилација
Промените поврзани со возраста на епигенетските изменувања на регулаторните региони на ензимот Cyp2e1 на глушецот се поврзани со метаболизмот посредуван од неговата кодирана белковина. Cyp2e1 со посредство на хидроксилација на неговиот испитувачки лек хлорзоксазон до неговиот метаболит, 6-хидроксихлорзоксазон, негативно корелирал со метилацијата на ДНК и позитивно со хистонската ацетилација во глувчешките микрозомски екстракти.
2.2 CXCR4 и метилација на ДНК
CXCR4 е белковина која делува како сорецептор за влез на ХИВ. Таа е развиена како цел на лекови за противХИВна терапија. Студијата покажа дека неговото изразување е нерегулирано со абнормални модели на метилација кај некои видови рак. Така, ова може да влијае на ефикасноста и одговорот на лекот на противХИВната терапијата.
2.3 Метилација на CYP1A1 и хистонско изменување
CYP1A1 е белковина која е добро позната по својата улога во соединенијата и метаболизмот на лековите. Студијата за рак на простата покажа дека регулаторниот регион на белковината е под контрола на хистонското изменување H3K4me3, што обично укажува на активна генско изразување во клетките кое не се ракородни. Оваа абнормална метилација обично предизвикува хистонско изменување и промени во структурата на хроматинот на месно ниво, со што влијае на генското изразување.
2.4 ABCG2 и микро РНК
ABCG2 е белковина која е одговорен за отпорност на повеќе лекови во хемотерапијата за рак. Зголемено изразување на ABCG2 е пронајдена во различни клеточни линии на рак и туморски ткива отпорни на лекови. Една од изменувањата на микро РНК ја менува нејзината генско и белковинско изразување со дестабилизирање на нејзината информациска РНК.
3 Епигенетика и човечки болести
3.1 Епигенетика кај ракот
Додека има уште многу работа што треба да биде направена во врска со епигенетските изменувања на специфични видови рак во различни чекори во развојот на туморот, постои општо разбирање за епигенетските изменувања во гените кои водат до абнормално изразување и разни видови рак. Овие епигенетски биомаркери се разгледувани во клиничка употреба како алатка за откривање на болести, класификација на тумори и разбирање на одговорот на лекот на третмани како што се целните соединенија, традиционалните хемотераписки агенси и епигенетските лекови. Човечкиот рак претежно се одликува со хиперметилација на специфични промотори, што обично го спречува изразувањето на гените за поправка на ДНК и супресија на туморот, и губење на метилацијата на ДНК на општо ниво, што може да овозможи изразување на онкогени или да резултира со губење на втиснување. Хистонските изменувања играат важна улога во регулацијата на клеточните постапки, така што епигенетските промени што резултираат со променета структура може да доведат до абнормална транскрипција, поправка и репликација на ДНК. Подолу се дадени неколку примери, а потоа и преглед на начините на кои се насочени овие епигенетски изменувања.
3.2 Насочување на епигенетските изменувања кај ракот
Епигенетските промени се многу присутни кај ракот, затоа е добар модел да се проценат различните начини на кои епигенетските лекови може да бидат користени за да бидат направени промени кои ја зголемуваат и намалуваат генското изразување.
3.2.1 Насочување на епигенетските мутации со добивка од функција
Инхибиторите на метилтрансфераза на ДНК се бараат поради хиперметилацијата на гените за потиснувач на туморот и зголемените метилтрансферази на ДНК кои се забележани во клетките на ракот. Воведувањето на овие инхибитори може да резултира со намалена метилација на промоторот и изразување на претходно замолчени туморско потиснувачки гени. Азацитидин и децитабин, кои се вклучени во ДНК и ковалентно ги заробуваат метилтрансферазите, се одобрени од Службата за храна и лекови на Соединетите Држави, за третман на миелодиспластичен синдром (група на рак каде крвните клетки од коскената срцевина не созреваат правилно во здрави крвни зрнца) и во моментов се испитани за други видови рак како леукемија. Други видови лекови се развивани како ненуклеозидни аналози, кои можат ковалентно да се врзат за метилтрансферазите на ДНК.
Некои примери вклучуваат прокаин, хидралазин и прокаинимид, но немаат специфичност и моќ што го отежнува нивното тестирање во клиничките испитувања. Инхибиторите на метилтранфераза на ДНК обично се користени на ниско ниво поради нивниот недостаток на специфичност и токсични ефекти врз нормалните клетки. Се користат и инхибиторите на хистонската деацетилаза, поради промените во хистонската ацетилација и забележаните зголемени хистонски деацетилази. Додека механизмот е сè уште под истрага, се верува дека додавањето на инхибитори на хистонски деацетилази резултира со зголемена хистонска ацетилација и затоа реактивирање на транскрипцијата на туморско потиснувачки гени.
Згора на тоа, хистонските деацетилази исто така може да ги отстранат ацетил групите од белковините кои не се хистонски, така што се смета дека додавањето инхибитори на хистонски деацетилази може да резултира со промени во активноста на факторот на транскрипција. Постојат околу 14 различни инхибитори на хистонски деацетилази кои се испитувани во клиничките испитувања за хематолошки и цврсти тумори, но треба да бидат направени повеќе истражувања за специфичноста и механизмите со кои тие ги инхибираат. Друг начин за менување на епигенетските изменувања е преку употреба на инхибитори на хистонска метилтрансфераза.
3.2.2 Целење епигенетски мутации со губење на функцијата
Губењето на функцијата во гените што ги кодираат деметилазите на ДНК или прекумерното изразување на ДНК метилтрансферазите може да резултира со хиперметилација на промоторите на ДНК. Губењето на функцијата на метилтрансферазите на ДНК може да доведе до хипометилација. Губењето на функцијата во ремоделирањето на хромозомите, поправката на ДНК и гените за регулација на клеточниот циклус може да доведе до неконтролиран раст на клетките што доведува до рак. Моделите на хистонското изменување, исто така, може да доведат до промени во геномите кои можат негативно да влијаат на овие и други системи, што го прави ракот поверојатно.
Клетките кои носат мутации со губење на функцијата може да бидат целени од лекови кои индуцираат синтетичка смртност, генетско/белковинско изразување каде што губењето на една компонента предизвикува мала промена, но губењето на двете компоненти резултира со клеточна смрт. Во клетките на ракот каде што еден дел од меѓудејството доживува мутација со губење на функцијата, другиот дел може да се прекине со третман со лекови за да биде предизвика клеточна смрт во ракородните клетки. Синтетичката смртност е атрактивна можност за третман кај пациенти со рак, бидејќи треба да има минимален/никаков ефект врз здравите клетки.
На пример, со губење на функционалните мутации на SWI/SNF, репликацијата и поправката на ДНК е негативно засегната и може да доведе до тумори ако растот на клетките не се контролирани. Мутациите на овие гени се честа причина за рак. Овие мутации не се директно насочени, но неколку синтетички смртоносни меѓудејствија може да бидат искористени од лековите за рак за да биде убиен раниот раст на ракот.
Дополнително, мутациите со губење на функцијата може да бидат целени со користење на динамичките состојби на хистонските изменувања. Губење на функцијата мутациите на деметилазите, како што е KDMK6A се чести кај ракот. Со поттикнување на регулација на инхибиторите на метилтрансфераза, ефектите од мутацијата со губење на функцијата може да бидат ублажени.
аазвојот на лекови кои ги целат или менуваат епигенетските потписи на целните гени расте, особено бидејќи биоинформатската анализа го зголемува знаењето за човечкиот геном и ја забрзува потрагата по синтетички смртоносни меѓудејствија. Најшироко користено за проценка на потенцијалните синтетички смртоносни меѓудејствија е користењето на кратката интерференциска РНК и групирани редовно меѓупросторни кратки палиндромски повторувања-Cas9 за менување на целните гени. Технологијата мешање со групираните редовно меѓупросторни кратки палиндромски повторувања и активаторот на групираните редовно меѓупросторни кратки палиндромски повторувања им овозможува на истражувачите да ги вклучуваат или исклучуваат целните гени.
3.3 Рак на белите дробови
Кај ракот на белите дробови, забележано е активирање и на доминантните и на рецесивни онкогени и исклучување на туморско потиснувачките гени. Често забележано кај ракот на белите дробови е метилацијата на генските промотори кои се вклучени во критичните функции како контрола на клеточниот циклус, поправка на ДНК, клеточна адхезија, пролиферација, апоптоза и подвижност. Неколку од вообичаените гени кои често се забележувани се APC, CDH1, CDKN2A, MGMT и RASSF1A (туморски потиснувач). Во случаите на ДНК со CDKN2A и RASSF1A, овие гени се метилирани, што резултира со губење на туморско потиснувачките гени.
Во клиничките испитувања на неситноклеточен рак на белите дробови се забележани различни стратегии како што се употреба на лекови како ентиностат и азацитидин. Идејата е дека етиностатот, инхибитор на хистонска деацетилаза, може да го спречи замолчувањето на гените со тоа што ќе им дозволи да бидат достапни за транскрипционата машинерија. Азацитидин може да биде метаболизиран и вклучен во ДНК, а потоа да биде препознаен како супстрат за метилтрансферазите на ДНК, но бидејќи ензимот е врзан, метилтрансферазата не може да додаде метилациони знаци и со тоа да ги стиши клучните гени.
3.4 Срцева слабост
Откриено е дека хистонските изменувања, метилацијата на ДНК и микро РНК играат важна улога во срцевите заболувања. Претходно, ацетилацијата на хистонската опашка била поврзана со срцева хипертрофија или абнормално задебелување на срцевиот мускул, што обично се должи на зголемување на големината на кардиомиоцитите или други промени на срцевиот мускул. Хипертрофичните промени што се случуваат во клетките на срцевите мускули се резултат на потребната ацетилација на хистонските опашки преку ацетилтрансферази. Покрај ацетилтрансферазите, хистонските деацетилази исто така помагаат во регулацијата на мускулните клетки. Класа II на хистонските деацетилази 5 и 9 ја инхибираат активноста на факторот познат како фактор 2 за подобрување на миоцитите, кој не може да биде врзан и го спречува изразувањето на гените кои произведуваат хипертрофични ефекти.
Дополнително, локусите како PECAM1, AMOTL2 и ARHGAP24 се забележани со различни модели на метилација кои се во корелација со изменета генско изразување во срцевото ткиво.
Сè поголем е бројот на научни публикации кои откриваат дека микро РНК игра клучна улога во различни аспекти на срцевата слабост. Примери на функции за микро РНК се регулирање на клеточниот циклус на кардиомиоцитите и регулирање на растот на кардиомиоцитите. Познавањето на епигенетските изменувања овозможува потенцијална употреба на лекови за менување на епигенетскиот статус на целната низа. Некој би можел да цели кон микро РНК-ите користејќи антагомири. Антагомирите се едносојни РНК-и кои се комплементарни, кои се хемиски конструирани олигонуклеотиди кои ги замолчуваат микро РНК-ите така што тие не можат да ја разградат информациска РНК што е потребна за нормално ниво на изразување.
Цитозинско-гванинската метилација на ДНК може да доведе до намалување на генското изразување, а во некои случаи ова намалување на генскиот производ може да придонесе за болест. Затоа, во тие случаи важно е да се имаат потенцијални лекови кои можат да го променат статусот на метилација на генот и да ги зголемат нивоата на изразување. За да биде зголемено генското изразување, може да се обиде да ја намали цитозинско-гванинската метилација со користење на лек кој работи како инхибитор на метилтрансфераза на ДНК како што се децитабин или 5-аза-2'-деоксицитидин.
Од друга страна, некои болести се резултат на намалување на активноста на ацетилазата, што резултира со намалување на генското изразување. Некои студии покажале дека инхибирањето на активноста на HDAC може да ја намали срцевата хипертрофија. трихостатин А и натриум бутират се два HDAC инхибитори. Трихостатин А е познат по неговата способност да ги инхибира HDAC од класа I и II од отстранување на ацетилази и намалување на генската експресија. Натриум бутират е уште една хемикалија која ги инхибира хистонската деацетилаза од класа I, што резултира со способност на факторите на транскрипција лесно да пристапат и да го изразат генот.
3.5 Предизвици во развојот на епигенетските терапии
Постојат голем број на предизвици со развојот на епигенетските терапии за широка медицинска употреба. Додека лабораториските резултати укажуваат на односите помеѓу гените и потенцијалните меѓудејствија на лековите кои би можеле да ги ублажат ефектите од мутациите, сложеноста на човечкиот геном и епигеномот го отежнува развојот на терапии кои се безбедни, ефикасни и доследни. Епигенетската промена може да влијае на повеќе системи од целните гени, што дава потенцијал за штетни ефекти да бидат појавени надвор од третманот. Дополнително, епигенетските мутации може да бидат резултат на лоза.
Бидејќи изразувањето на ткивните гени е во голема мера регулирана со епигенетски меѓудејствија, одредени ткивни специфични ракови тешко бидат целени со епигенетски терапии. Дополнително, гените кои кодираат елементи кои спречуваат еден вид рак во клетката, може да ја смениле функцијата во друга и да доведат до друг вид рак. Обидот да бидат изменети овие белковини, како што е EZH2, може да доведе до други видови рак. Одбирањето е уште една пречка во развојот на терапии. Бидејќи многу белковинисе структурно слични, особено во рамките на истото семејство белковини, инхибиторите со широк спектар не можат секогаш да бидат користени бидејќи изменувањето на регулацијата на една белковина може да го направи истото со другите во семејството.
Врз основа на разликите во овие епигенетски обрасци, научниците и лекарите можат дополнително да го предвидат одговорот на лекот на секој пациент. Еден од најубедливите примери е метилацијата на туморско потиснувачкиот ген во промоторната низа што кодира за MGMT. MGMT е белковина за поправка на ДНК одговорен за пренесување на метил групи од О(6)-алкилгуанин во ДНК кон себе за да се бори против мутагенезата и таложењето на токсични соединенија кои произлегуваат од алкилирачките агенси.
Затоа, MGMT е одговорен за поправка на области кои биле оштетени од токсини. Утврдено е дека овој промоторски регион на MGMT е високо метилиран, а со тоа и потиснат кај пациенти со различни видови рак. Неколку лекови како што се прокарбазин, стрептозотоцин, BCNU (кармустин) и темозоламид се дизајнирани да ја ремоделираат ДНК за да го сменат ова абнормално изменување на метилација, така што MGMT може нормално да се изразува и да ја поправа ДНК. Статусот на метилација на промоторот станува најдобар предиктор за одговорите на BCNU и темозоламид кај пациенти со рак на мозокот.
4 Епигенетски инхибитори и терапии
4.1 Бромодомен и инхибитори
Белковините кои содржат бромодомени ги препознаваат и врзуваат ацетилираните лизински остатоци во хистоните, предизвикувајќи изменување на структурата на хроматинот и последователно поместување во нивоата на генското изразување. Бромодоменските и екстра-терминалните белковини ги врзуваат ацетил групите и работат со полимераза II на РНК за да помогнат во транскрипцијата и издолжувањето на хроматинот. BET инхибиторите успеаја да спречат успешна интеракција помеѓу BET протеините и ацетилираните хистони. Користењето на инхибитор со бромодоменските и екстра-терминалните белковини може да го намали прекумерното изразување на белковините на бромодоменот, што може да предизвика аберантно ремоделирање на хроматинот, регулација на транскрипција и хистонска ацетилација.
4.2 Инхибитори на хистонска ацетилаза
Неколку студии покажале дека инхибиторите на хистонската ацетилтрансфераза се корисни во повторното поттикнување на изразувањето на туморско сузбивачките гени со запирање на активноста на хистонска ацетилтрансфераза за да биде спречена хроматинска кондензација.
Инхибиторите на белковинска метилтрансфераза играат клучна улога во метилирањето на остатоците од лизин и аргинин за да влијаат на нивоата на транскрипција на гените. Се претпоставува дека нивната ензимска активност игра улога кај ракот, како и кај невродегенеративните и воспалителните болести.
4.3 Инхибитори на хистонска деацетилаза
Користењето инхибитори на хистонска деацетилаза овозможува гените да останат транскрипциски активни. Инхибиторито на хистонската деацетилаза се користени во различни автоимуни нарушувања, како што се системскиот лупус еритематозус, ревматоиден артритис и системски зачетен младешки идиопатски артритис. Тие исто така се покажале корисни за лекување од рак, бидејќи тие се структурно разновидни и влијаат само на 2-10% од изразените гени. Употребата на инхибитори на хистонска деацетилаза за третман на психијатриски и невродегенеративни болести покажала ветувачки резултати во раните студии. Дополнително, студиите покажаа дека инхибиторите на хистонска деацетилаза се корисни за минимизирање на оштетувањето по мозочен удар и поттикнување на ангиогенезата и миогенезата во зародочните клетки.
4.4 Инхибитори на метилтрансфераза на ДНК
Една од вообичаените особини на различните видови рак е хиперметилација на генот за сузбивање на туморот. Репресијата на ова дејство на метилтрансфераза на целните локуси може да го спречи повторливиот пренос на метил групи на овие места и да ги задржи отворени за транскрипциската машинерија, овозможувајќи да бидат направени повеќе гени за сузбирање на туморот. Овие лекови се вообичаено деривати на цитидин. Овие лекови ја поврзуваат метилтрансферазата со ДНК и го спречуваат нивното постојано дејство. Третманите кои ја инхибираат функцијата на метилтрансферазата на ДНК без приврзаност кон ДНК (која може да предизвика токсични ефекти) покажуваат дека може да бидат ефективни можности за третман, но тие не се доволно развиени за да биде видена широка употреба.
5 Поврзано
* Епигенетска терапија
* Епигенетика
* Епигенетика на ракот