Ишемический инсульт (ИИ) представляет собой вторую глобальную причину смерти после ишемической болезни сердца и наиболее частую причину инвалидности во всем мире [1—3]. ИИ возникает, когда окклюзия мозговой артерии эмболом или тромбом вызывает снижение притока крови и кислорода к головному мозгу [4]. Это явление, если сохраняется, способствует необратимому повреждению головного мозга из-за гибели нейронов. Еще одной общей чертой ИИ является увеличение интенсивности как воспаления, так и окислительного стресса [5].
Инсульт является гетерогенным, многофакторным заболеванием, возникающим в результате взаимодействия многочисленных средовых и генетических факторов риска [6, 7]. В последнее время появляется все больше данных, подтверждающих участие эпигенетических изменений в патогенезе сердечно-сосудистых заболеваний, включая и ИИ [8, 9]. Эпигенетические модификации изменяют экспрессию генов без изменения последовательности ДНК. Некоторые из них стабильны и наследуются последующими поколениями [10]. В ряде случаев эпигенетические изменения динамичны и реагируют на стимулы окружающей среды. Эпигенетические механизмы могут регулировать различные физиологические процессы, происходящие в живом организме, в том числе клеточные пролиферацию и дифференцировку. Поэтому выяснение роли эпигенетических модификаций в патогенезе инсульта может стать основой для разработки инновационных подходов к профилактике и лечению этого инвалидизирующего заболевания.
К основным эпигенетическим механизмам относятся метилирование ДНК, модификации гистонов и микро-РНК. В данном обзоре будет рассмотрено участие в патофизиологии ИИ лишь первых двух типов эпигенетических модификаций, поскольку соответствующая роль микро-РНК в развитии ИИ освещалась нами ранее [11].
Цель обзора — представить последние данные о влиянии эпигенетических модификаций на патогенез ИИ, полученные как на животных моделях, так и у пациентов.
Роль метилирования ДНК в патогенезе ИИ
Метилирование ДНК является обратимой модификацией, которая обычно снижает транскрипцию гена за счет химически стабильной модификации, осуществляемой ДНК-метилтрансферазой (DNMT, DNA methyltransferase), связанной с добавлением метильной группы (-CH3) в 5’-положении цитозина в промоторе гена. Эта модификация предотвращает взаимодействие факторов транскрипции с их специфическими сайтами связывания [12].
Роль метилирования ДНК в патогенезе ИИ хорошо изучена в последние годы [13, 14]. В целом глобальный уровень метилирования ДНК выше у животных моделей ИИ и связан с более высокой активностью DNMT в головном мозге. Фактически было показано, что фармакологическое ингибирование DNMT снижает метилирование ДНК, уменьшает размер инфаркта и ишемическое повреждение головного мозга в модели окклюзии средней мозговой артерии (ОСМА) у крыс [15—17].
В той же модели сниженный уровень метилирования ДНК котранспортера 1 Na-K-Cl (NKCC1), мембранного белка, участвующего в активном транспорте натрия, калия и хлорида, был связан с усилением экспрессией мРНК и белка NKCC1 головного мозга после повреждения нейронов [18]. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить конкретную роль NKCC1 в патогенезе ИИ.
Хорошо известно, что нарушения коагуляционного каскада, предрасполагающие к ИИ, могут вызывать как геморрагические, так и тромботические поражения. Например, C. Hu и соавт. [19] обнаружили, что тромбоспондин 1 (THBS1), ангиостатический фактор, также участвующий в агрегации тромбоцитов, был гиперметилирован в модели ишемии in vitro. Это открытие предполагает, что THBS1 может способствовать постишемическому ангиогенезу — механизму, необходимому для восстановления повреждения головного мозга после ишемии [19].
Известно, что у человека высокий уровень гомоцистеина в плазме является независимым фактором риска развития ряда сосудистых заболеваний, включая атеросклероз, ишемическую болезнь сердца и инсульт [20]. Метаболизм гомоцистеина регулируется диетическими факторами, такими как метионин и витамины группы B, а также различными ферментами, такими как метилентетрагидрофолатредуктаза (MTHFR), цистатионин-бета-синтаза (CBS) и метионинсинтаза (MS). CBS является основным ферментом, участвующим в превращении гомоцистеина в цистеин. Недостаточность питания и изменения метаболизма гомоцистеина связаны с более высокой частотой возникновения инсульта. Недавно C. Wang и соавт. [21] описали гиперметилирование ДНК в промоторе CBS и его связь с повышенным риском инсульта. Гиперметилирование CBS приводит к низкой активности фермента, накоплению гомоцистеина в плазме крови и повышенной предрасположенности к инсульту. Высокий уровень гомоцистеина в плазме крови также связан с гиперметилированием ДНК тромбомодулина (ТМ) у пациентов с ИИ. ТМ представляет собой интегральный мембранный белок, экспрессируемый на поверхности эндотелиальных клеток. Он обладает антикоагулянтными свойствами, действуя как рецептор тромбина. Растворимая форма ТМ играет важную роль в регуляции внутрисосудистого свертывания крови. По этой причине ТМ оказывает защитное действие против церебральной ишемии. Фактически было обнаружено, что гиперметилирование ДНК промотора ТМ коррелирует с высоким уровнем гомоцистеина, повышенными эндотелиальным повреждением и риском ИИ [22].
Эпидемиологические исследования показали роль дислипидемии как важного фактора риска ИИ [23]. В связи с этим повышенные уровни как триглицеридов, так и холестерина липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) были связаны с увеличенным риском инсульта, тогда как уровень холестерина липопротеинов высокой плотности (ЛПВП) имел обратную корреляционную связь [24—27]. Несколько исследований указывают на роль аполипопротеина E (ApoE) в развитии ИИ. ApoE представляет собой липопротеин плазмы, участвующий в метаболизме липидов, который взаимодействует с рецептором ЛПНП [28]. Показано, что полиморфизмы гена ApoE часто встречаются у лиц с атеросклерозом [28], болезнью Альцгеймера [29] и ИИ [30]. Недавнее исследование также продемонстрировало связь между статусом метилирования промотора гена ApoE и атеросклеротическим инфарктом головного мозга, распространенной формой инсульта. В частности, гиперметилирование промотора гена ApoE подавляло экспрессию данного гена. Последнее коррелировало с более низкими уровнями холестерина ЛПВП и фолиевой кислоты, а также с более высокими уровнями гомоцистеина. Гиперметилирование ДНК гена ApoE можно предотвратить путем снижения уровня гомоцистеина при введении фолиевой кислоты [31]. Более высокий уровень метилирования ДНК гена-ингибитора циклинзависимой киназы 2B, участвующего в патогенезе как атеросклероза, так и кальцификации артерий, был связан с повышенной предрасположенностью к кальцификации артерий у пациентов с ИИ [32].
Наконец, на экспрессию медиаторов воспаления также влияют эпигенетические механизмы. Уровень белка адгезии сосудистых клеток 1 (VCAM-1) представляет собой маркер сердечно-сосудистых заболеваний, поскольку экспрессируется при проатеросклеротических состояниях [33, 34]. A. Baccarelli и соавт. [35] показали, что гипометилирование длинных вкрапленных нуклеотидных элементов (LINE-1) было связано с повышенным уровнем VCAM-1 у пожилых людей. В том же исследовании авторы сообщили, что связь между гипометилированием LINE-1 и экспрессией VCAM-1 была значимой только у лиц без ишемической болезни сердца или инсульта; не было обнаружено корреляции у пациентов с сердечными заболеваниями и инсультом. Последние данные свидетельствуют, что связь между гипометилированием LINE и экспрессией VCAM-1 можно рассматривать как раннее событие в этиологии сердечно-сосудистых и цереброваскулярных заболеваний [35]. Гипометилирование фактора 3, ассоциированного с рецептором TNF, и протеинфосфатазы 1A также связано с учащением случаев инсульта у пациентов, получающих антитромбоцитарные препараты [36, 37].
Участие модификации гистонов в патогенезе ИИ
Модификации гистонов включают ацетилирование и метилирование остатков лизина в терминальном хвосте гистонов H3 и H4. Эти изменения осуществляются гистон-ацетилтрансферазами (HAT) и гистон-метилтрансферазами соответственно, модулируя взаимодействия гистонов и ДНК, влияя на структуру хроматина и тем самым обеспечивая доступность регуляторов транскрипции к ДНК-связывающим элементам [38, 39]. Ацетилирование гистонов, катализируемое HAT, обычно увеличивает экспрессию генов, тогда как деацетилирование гистонов посредством деацетилаз гистонов (HDAC) ингибирует экспрессию генов. Метилирование гистонов может либо активировать, либо ингибировать экспрессию генов, и обычно затрагивает остатки аргинина [40].
Клинические и доклинические исследования на животных моделях выявили роль модификаций гистонов в ремоделировании хроматина и их участие в различных нарушениях головного мозга, включая ИИ [41]. Несколько групп исследователей выявили общее снижение уровня ацетилирования гистонов H3 [42] и H4 [43] на животных моделях инсульта, что было связано с тяжелым поражением головного мозга. Так как эпигенетические изменения обратимы, сообщалось, что введение ингибиторов HDAC является действенным подходом к уменьшению повреждения головного мозга. В моделях ОСМА было обнаружено, что введение вальпроевой кислоты или бутирата натрия, двух широко используемых ингибиторов HDAC, или сохраняет, или восстанавливает нормальный уровень ацетилирования гистонов H3 и H4. Эти эффекты способствовали существенному уменьшению как объема инфаркта, так и повреждения головного мозга. Кроме того, в моделях MCAO, обработанных ингибиторами HDAC, сообщалось о значительном увеличении Hsp70, белка теплового шока, способствующего выживанию, и о параллельном снижении уровня проапоптотического белка каспазы-3 [44]. Недавно была подчеркнута связь между HDAC4 и ИИ. Q. Kong и соавт. [45] описали, что HDAC4 был снижен в нейронах, выделенных из крысиной модели MCAO и подвергнутых кислородно-глюкозной депривации. Низкие уровни HDAC4 были связаны с изменениями клеточной пролиферации и ангиогенеза [46], а также с потерей целостности гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) [47]. Экзогенное введение ингибиторов HDAC восстанавливало уровень ацетилирования H4, целостность ГЭБ и уменьшало объем инфаркта у крыс ОСМА [48].
Как известно, отек головного мозга является разрушительным осложнением, развивающимся после инсульта [49]. Каскады событий после острого ИИ, приводящие к повышению проницаемости ГЭБ и формированию отека мозга, разнообразны [50, 51] и включают: деградацию белков плотных контактов [52], активацию глиальных водных каналов аквапорин-4 (AQP4, aquaporin-4) [53] и воспалительный ответ, включающий активацию микроглии [54], матриксной металлопротеиназы-9 (ММП-9) [55] и NF-kB [56].
Новые данные свидетельствуют, что эпигенетическая регуляция играет важную роль в повреждении ГЭБ и его восстановлении после инсульта [57, 58]. Так, было показано, что специфические ингибиторы HDAC (например, вальпроевая кислота) обращают вспять подавление белков плотных контактов ZO-1 и клаудина-5 после ОСМА [59]. В соответствии с этими сообщениями было проведено исследование по селективному ингибированию HDAC3 с помощью RGFP966, чтобы оценить влияние данного ингибитора на отек головного мозга и его механизмы развития [60]. Исследование показало, что селективное ингибирование HDAC3 уменьшает отек мозга и проницаемость ГЭБ in vivo, а также улучшает функциональные результаты. При этом защита ГЭБ, опосредованная RGFP966, была связана с увеличением количества белков плотных контактов, снижением уровней AQP4 и воспалительного ответа, включая снижение активации микроглии, ММП-9 и NF-kB [60].
Ингибирование HDAC оказывало защитное действие и на активность воспалительных медиаторов при ИИ [61]. Действительно, в первичных микроглиальных клетках, выделенных из мышиной модели ОСМА, ингибирование HDAC бутиратом натрия увеличивало ацетилирование лизина 9 в гистоне H3, что сопровождалось подавлением различных провоспалительных медиаторов, таких как интерлейкин (ИЛ)-6, индуцибельная синтаза оксида азота, фактор некроза опухоли-α, и параллельной активацией противовоспалительного медиатора ИЛ-10 [14].
Несмотря на многообещающие результаты, полученные в доклинических исследованиях, применение ингибиторов HDAC пока не дало удовлетворительных результатов у пациентов с ИИ. Во-первых, большинство специфических ингибиторов HDAC не проникает через ГЭБ; во-вторых, неспецифические ингибиторы HDAC были связаны с несколькими побочными эффектами, такими как потеря веса, нарушения вкуса, электролитные изменения и сердечные аритмии в клинических исследованиях фазы I/II инсульта [62]. Однако R. Brookes и соавт. [63] сообщили о защитных эффектах вальпроата натрия, неспецифического ингибитора HDAC9, у пациентов с предшествующим ИИ или транзиторной ишемической атакой. Они обнаружили, что введение вальпроата натрия значительно снижает риск повторного ИИ [63].
Заключение
Ряд исследований, проведенных на моделях инсульта у животных и у пациентов, способствовал выяснению сложных генетических и молекулярных механизмов, участвующих в патогенезе ИИ. Эпигенетические модификации рассматриваются в настоящее время как новые фундаментальные факторы, участвующие в регуляции экспрессии генов, связанных с инсультом, и, в отличие от изменения последовательности генов, обратимы. Фармакологические ингибиторы ДНК-метилтрансфераз, гистоновых ацетилтрансфераз и деацетилаз, основных ферментов, участвующих в эпигенетических модификациях, могут быть использованы для изменения уровня экспрессии соответствующего гена. Интересно, что некоторые из этих ингибиторов уже используются в исследованиях на животных моделях инсульта [64] и доступны в клинической практике для лечения гематологических заболеваний [65]. Хотя разработка молекул, регулирующих эпигенетические процессы, может выглядеть сложной и дорогостоящей процедурой, тем не менее новый подход может оказаться очень полезным для разработки новых фармакологических методов лечения ИИ в будущем.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.