Isabelle R. Miousse

Departamentul de sănătate a mediului și a muncii, Universitatea din Arkansas pentru științe medicale, Little Rock, AR 72205, SUA

carbon

Julia Tobacyk

Departamente de sănătate a mediului și a muncii și farmacologie și toxicologie, Universitatea din Arkansas pentru științe medicale, Little Rock, AR 72205, SUA

Stepan Melnyk

Departamentul de Pediatrie, Universitatea din Arkansas pentru Științe Medicale, Little Rock, AR 72205, SUA

S. Jill James

Departamentul de Pediatrie, Universitatea din Arkansas pentru Științe Medicale, Little Rock, AR 72205, SUA

Amrita K. Cheema

Departamente de Oncologie și Biochimie, Biologie moleculară și celulară, Centrul Medical al Universității Georgetown, Washington DC 20057, SUA

Marjan Boerma

Divizia de Sănătate a Radiațiilor, Departamentul de Științe Farmaceutice, Universitatea din Arkansas pentru Științe Medicale, Little Rock, AR 72205, SUA

Martin Hauer-Jensen

Divizia de Sănătate a Radiațiilor, Departamentul de Științe Farmaceutice, Universitatea din Arkansas pentru Științe Medicale, Little Rock, AR 72205, SUA

Igor Koturbash

Departamentul de sănătate a mediului și a muncii, Universitatea din Arkansas pentru științe medicale, Little Rock, AR 72205, SUA

Abstract

Radiațiile ionizante (IR) sunt o componentă omniprezentă a mediului nostru și un instrument important în cercetare și tratament medical. În același timp, IR este un puternic factor de stres genotoxic și epigenotoxic, expunerea la care poate duce la rezultate negative asupra sănătății. În timp ce genotoxocitatea este bine descrisă și caracterizată, efectele epigenetice ale expunerii la IR și mecanismele acestora rămân subinvestigate. În această revizuire conceptuală, propunem modificările induse de IR la metabolismul cu un singur carbon ca premise pentru modificările epigenomului celular. De asemenea, oferim dovezi atât din studii experimentale, cât și din studii clinice care descriu interacțiunile dintre IR și metabolismul cu un singur carbon. Discutăm în continuare potențialul pentru manipularea metabolismului cu un singur carbon în aplicații clinice în scopul protecției normale a țesuturilor și pentru creșterea radiosensibilității celulelor canceroase.

Introducere: radiații ionizante și epigenetică

Radiațiile ionizante (IR) sunt un factor de stres de mediu omniprezent și un instrument utilizat pe scară largă în multe sfere ale vieții umane. Una dintre cele mai mari surse de expunere la IR provine din radiațiile medicale atunci când este utilizată ca modalitate de diagnostic și tratament. Aproximativ 50% din toți pacienții cu cancer primesc radioterapie și peste 70 de milioane de tomografii computerizate (CT) sunt efectuate anual numai în SUA (1, 2), creând un număr din ce în ce mai mare de pacienți care sunt expuși în mod curent.

Deși este general acceptat faptul că beneficiile radiațiilor medicale depășesc riscurile, există o îngrijorare considerabilă cu privire la efectele secundare neintenționate, deoarece expunerea la IR poate duce la o serie de rezultate negative, inclusiv dezvoltarea cancerului și a bolilor degenerative (3-5) .). Instabilitatea genomică și carcinogeneza indusă de radiații sunt efecte stocastice, în care pare să nu existe o doză prag și riscul acestor efecte crește odată cu creșterea dozei. În plus, expunerea la IR poate avea efecte deterministe, leziuni pe termen scurt și pe termen lung în țesuturile normale (non-tumorale), pentru care se pare că există o doză prag sub care aceste efecte nu apar (6). Leziunea normală a radiațiilor tisulare poate varia de la sindromul de radiație acută care se observă după ce părți mari ale corpului au fost expuse la doze relativ mari de IR, de obicei în câteva minute (7, 8), la leziuni precoce și tardive și remodelare adversă a țesuturilor care sunt expuse la IR în timpul radioterapiei. Efectele secundare ale radioterapiei includ eritemul pielii după tratamentul cancerului de sân (9), enteropatia radiațională datorată expunerii tractului intestinal în radioterapia abdominală (10) și fibroza în plămâni și inimă care se poate dezvolta la câțiva ani după radioterapia toracică (11, 12).

Acum este general acceptat faptul că atât proprietățile genotoxice, cât și cele epigenotoxice ale IR subliniază mecanismele acestor efecte. În același timp, în timp ce capacitatea IR de a deteriora ADN-ul (genotoxicitatea) este un fenomen bine cunoscut și bine caracterizat, efectele epigenetice (sau cele care nu sunt legate de modificări ale secvenței ADN) ale expunerii au fost descoperite relativ recent și sunt nu prea bine inteles.

Epigenetica este studiul modificărilor ereditare în expresia genelor care nu sunt asociate cu modificări ale secvenței ADN primare. Mecanismele epigenetice de reglare includ metilarea ADN-ului, modificări ale histonelor post-translaționale, poziționarea nucleozomilor de-a lungul ADN-ului și ARN-uri necodificatoare. Aceste mecanisme sunt vitale pentru dezvoltarea normală și menținerea homeostaziei celulare. Mai exact, metilarea ADN-ului și a histonelor reglează expresia informațiilor genetice într-o manieră specifică celulei, țesuturilor și sexului (13, 14). Ei joacă, de asemenea, roluri critice în controlul expresiei elementelor repetitive (RE) - elemente transpozabile și ADN satelit - care împreună conțin peste jumătate din genomul mamiferelor.

Modificările ADN și/sau metilarea histonelor pot afecta în mod substanțial epigenomul celular, ducând la modificarea expresiei genei și a RE și rezultând instabilitate genomică și dezvoltarea stărilor patologice, inclusiv a cancerului. De fapt, pierderea metilării ADN-ului global a fost prima modificare epigenetică raportată în practic toate cancerele umane (16, 17). Ulterior, hipermetilarea ADN-ului la regiunile promotor ale genelor supresoare tumorale a fost, de asemenea, raportată în diferite tipuri de cancer (18-20). Studii ulterioare au demonstrat că modificările epigenetice, în primul rând modificările ADN și metilarea histonelor, nu sunt pur și simplu consecințele cancerului, dar pot servi adesea ca factori determinanți ai carcinogenezei și pot fi detectate în stadiile incipiente ale dezvoltării cancerului (21-25).

Detectarea modificărilor epigenetice în tumorile asociate cu expunerea profesională la radiații a sugerat că epigenetica poate contribui, de asemenea, la carcinogeneza indusă de IR. De exemplu, hipermetilarea genelor p16INK4a (26) și GATA5 (27) a fost observată în adenocarcinoamele pulmonare ale lucrătorilor expuși profesional, în comparație cu adenocarcinoamele din cohorta de pacienți neexpuși. Alte studii care utilizează modele experimentale de rozătoare au demonstrat în mod convingător că IR afectează metilarea ADN-ului și a histonelor în organele țintă, cum ar fi măduva osoasă, timusul și splina (28). Majoritatea literaturii existente în domeniu indică faptul că expunerile la doze de IR 1 Gy și mai mari sunt caracterizate de obicei prin pierderea metilării ADN-ului global în aceste organe (29-32). Studiile ulterioare au demonstrat că modificările observate în metilarea ADN provin în principal din RE, în timp ce modificările specifice genei par a fi mai puțin evidente (33-36).

Se știe mai puțin despre efectele IR asupra metilării histonelor, cu toate acestea, aceste modificări se caracterizează în primul rând prin pierderea metilării histonelor de la ore la câteva zile după iradiere, similar cu efectele asupra metilării ADN-ului. De exemplu, marcajele histonice care sunt responsabile pentru formarea structurii heterocromatinei silențioase transcripțional - histonă H3 lizină 9 (H3K9me3) și histonă H4 lizină 20 (H4K20me3) trimetilare - sunt reglate negativ după expunerea atât la doze mici, cât și la doze mari IR (30, 37). Această structură relaxată a cromatinei poate permite accesul mai ușor al complexelor de reparații la locurile de deteriorare a ADN-ului. În același timp, metilarea histonelor este, în general, mai labilă decât metilarea ADN-ului și adesea modificările observate la scurt timp după iradiere nu sunt detectabile în momentele ulterioare (37).

Modificări induse de radiații în metilarea ADN-ului și a histonelor

În ciuda progreselor semnificative în epigenetica radiației din ultimul deceniu, mecanismele modificărilor induse de radiații în ADN și metilarea histonelor rămân în mare parte necunoscute. Au fost propuse o serie de ipoteze, sugerând diferite mecanisme, inclusiv funcția afectată a ADN-ului și a histonei metiltransferazelor, interferența deteriorării ADN-ului cu capacitatea ADN metiltransferazelor de a metila ADN-ul, deteriorarea și repararea ADN-ului și proliferarea indusă de radiații, pentru a numi câteva ( revizuit în ref. 28).

ADN-ul și metiltransferazele histonice sunt enzimele cheie necesare pentru metilarea celor două substraturi menționate mai sus. Deși există un număr limitat de ADN metiltransferaze (DNMT) care sunt reprezentate în principal de ADN metil-transferază de întreținere DNMT1 și de metiltransferaze Dnmt3a și Dnmt3b de novo, metilarea histonelor la diferite reziduuri este facilitată de metiltransferazele histonice specifice.

S-a demonstrat că IR afectează nivelurile de ARNm și proteine ​​ale ADN metiltransferazelor, precum și activitatea enzimatică a acestora. În special, nivelurile de ADN metiltransferazelor de novo Dnmt3a și Dnmt3b s-au dovedit a fi scăzute la 3 luni după iradierea totală a corpului până la doze medii absorbite reduse fie de fier greu (56 Fe), fie de protoni în modelul șoarecelui (38). În mod similar, expunerea la raze X cu doze mici a dus la scăderea simultană a nivelurilor de proteine ​​ale Dnmt1, Dnmt3a și Dnmt3b în timusul murin (30). Interesant este că, în același studiu, autorii au demonstrat, de asemenea, pierderea indusă de IR în trimetilarea histonei H4 lizină 20 (H4K20me3), cu toate acestea, statutul metilazelor și demetilazelor specifice acestei mărci de histonă nu a fost evaluat.

În liniile celulare, s-a constatat că activitatea ADN-ului metiltransferazei nucleare a scăzut până la 3 zile după expunerea la 10 Gy de raze γ (39). În același timp, a existat o creștere paralelă a activității citoplasmatice a ADN metiltransferazei. Sechestrarea Dnmt1 în citoplasmă în forma sa activă poate contribui substanțial la hipometilarea ADN-ului indusă de IR (40).

Pe lângă afectarea metiltransferazelor, dovezile acumulate sugerează că IR afectează și disponibilitatea donatorilor de metil (38, 41). Atât metilarea ADN, cât și histona necesită donarea unei grupări CH3 de la donatorul universal de metil S-adenosilmetionină (SAM). Adăugarea acestor grupări metil modifică modul în care proteinele interacționează cu o secțiune de ADN sau cromatină și, la rândul său, influențează nivelul de expresie al acelei regiuni. Orice impact asupra disponibilității donatorilor de metil și asupra enzimelor responsabile de metabolismul acestora va afecta în consecință nivelul de metilare a ADN-ului și a histonelor. Aceste grupări metil utilizate pentru metilarea ADN și histone provin din metabolismul cu un singur carbon.

Metabolism cu un singur carbon

Reacțiile care înconjoară transferul grupării metil de la SAM la moleculele acceptoare și regenerarea SAM sunt componentele cheie ale metabolismului monocarbonic dependent de folat (Figura 1). Acesta din urmă leagă împreună reglarea genelor, sinteza aminoacizilor, sinteza purinei și pirimidinei, patru vitamine și antioxidanți, pentru a numi câteva și peste o sută de reacții de biometilare (42). Ramificațiile modificărilor din această cale afectează aproape toate funcțiile celulare.