Recenti progressi nell’epigenetica delle malattie renali legate all’età

Astratto:L’invecchiamento renale ha attirato crescente attenzione nella società odierna che invecchia, poiché gli anziani in età avanzata sono più suscettibili a varidisturbi renalicome danno renale acuto(AKI) emalattia renale cronica(CKD). Non esiste un meccanismo universale chiaro per l’identificazionemalattie renali legate all’età, e quindi rappresentano un notevole vantaggio medico esfida sanitaria pubblica. L'epigenetica si riferisce allo studio delle modifiche ereditarie nella regolazione dell'espressione genica che non richiedono cambiamenti nella sequenza del DNA genomico sottostante. Una varietà di modificatori epigenetici come gli inibitori dell’istone deacetilasi (HDAC) e gli inibitori della DNA metiltransferasi (DNMT) sono stati proposti come potenziali biomarcatori e bersagli terapeutici in numerosi campi tra cuimalattia cardiovascolare, malattie del sistema immunitario, malattie del sistema nervosoe neoplasie. Negli ultimi anni le prove accumulate indicano che sono implicate modificazioni epigeneticheinvecchiamento renale. Tuttavia, nessuna precedente revisione sistematica è stata eseguita per generalizzare sistematicamente la relazione traEpigenetica e malattie renali legate all’età. In questa recensione, miriamo a riassumere i recenti progressi nei meccanismi epigenetici delle malattie renali legate all'età e a discutere l'applicazione di modificatori epigenetici come potenziali biomarcatori e bersagli terapeutici nel campo dellamalattie renali legate all’età. In sintesi, i principali tipi di processi epigenetici, tra cui la metilazione del DNA, le modifiche degli istoni e la modulazione dell’RNA non codificante (ncRNA), sono stati tutti implicati nella progressione delle malattie renali legate all’età e il targeting terapeutico di questi processi produrrà nuove strategie terapeutiche per la prevenzione e/o il trattamento delle malattie renali legate all’età.

Parole chiave: epigenetica; modificazione degli istoni; Metilazione del DNA; regolazione dell'RNA non codificante;amalattie renali correlate al ge

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1. Introduzione

Con il rapido sviluppo dell’economia sociale e il miglioramento dell’assistenza sanitaria, l’aspettativa di vita della popolazione generale ha continuato ad aumentare, determinando un aumento significativo della percentuale della popolazione anziana [1]. Secondo le statistiche dell’Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS), si stima che entro il 2050 nel mondo ci saranno circa due miliardi di persone con più di 60 anni [2–4]. Tra tutti i problemi causati dall’invecchiamento, l’invecchiamento renale sta diventando non trascurabile. Sebbene il processo di invecchiamento non causi direttamente malattie renali, i reni che invecchiano sono più suscettibili a vari fattori avversi come l’ipertensione, il diabete, l’obesità o i disturbi renali primari, che possono contribuire allo sviluppo di patologie renali. L’invecchiamento è associato a un inevitabile declino tempo-dipendente della funzionalità renale [5,6]. Le principali caratteristiche patologiche del rene invecchiato comprendono arteriosclerosi, glomerulosclerosi, atrofia tubulare e fibrosi interstiziale [7]. Nello specifico, numerosi studi hanno indicato che l’invecchiamento è riconosciuto come uno dei principali fattori che contribuiscono all’aumento dell’incidenza del danno renale acuto (AKI) e della malattia renale cronica (CKD) nella popolazione complessiva [7–9]. Inoltre, l’incidenza dei decessi dovuti a disfunzione renale sta aumentando a livello globale parallelamente all’invecchiamento della popolazione. Tuttavia, i meccanismi alla base dell’invecchiamento renale non sono stati ancora chiaramente chiariti e rimangono al centro della ricerca attuale. Pertanto, per affrontare saggiamente le sfide dell’invecchiamento della popolazione è necessario identificare le cause profonde di questo fenomeno e risolvere efficacemente i problemi, il che porterà enormi benefici sociali.

Finora, è stato scoperto che diversi meccanismi sono strettamente associati al declino delle funzioni degli organi associato all'età, tra cui l'instabilità del genoma, l'attrito dei telomeri, le alterazioni epigenetiche, la perdita di proteostasi, la percezione disregolata dei nutrienti, la disfunzione mitocondriale, la senescenza cellulare e l'esaurimento delle cellule staminali, nonché l'esaurimento delle cellule staminali. comunicazione intercellulare alterata [6,10], tra cui i cambiamenti epigenetici sono i segni distintivi dell'invecchiamento recentemente identificati nell'ultimo decennio [6,11]. L'epigenetica si riferisce principalmente allo studio dei processi molecolari che regolano l'espressione genica e il fenotipo senza modificare la sequenza primaria del DNA, che coinvolge principalmente la metilazione del DNA, le modifiche post-traduzionali degli istoni, il rimodellamento della cromatina e la regolazione da parte di RNA non codificanti (ncRNA). Negli ultimi anni, il ruolo critico delle alterazioni epigenetiche ha ricevuto crescente attenzione per il suo coinvolgimento in vari processi patologici e nelle normali funzioni fisiologiche. Inoltre, è ormai generalmente accettato che la metilazione del DNA e la modificazione degli istoni vengono impressi durante lo sviluppo embrionale e devono essere mantenuti negli adulti per la salute e la stabilità fenotipica [12]. Nel frattempo, prove crescenti suggeriscono che l’invecchiamento cellulare e degli organismi è strettamente legato a profondi cambiamenti in una serie di modificazioni epigenetiche, che portano a modelli di espressione genica alterati [13,14]. In particolare, le prove accumulate hanno dimostrato che alterazioni epigenetiche come la metilazione del DNA [15–18], le modifiche degli istoni [19,20] e la regolazione degli ncRNA [21–23] sono coinvolte nell'inizio e nello sviluppo dei processi di invecchiamento renale [24 ]. Recentemente, anche le modificazioni epigenetiche aberranti, tra cui principalmente la metilazione del DNA [11,17], le modifiche degli istoni [20,25,26] e la regolazione degli ncRNA [27,28], sono state sempre più implicate nei disturbi renali legati all'età. Tuttavia, nessuna precedente revisione sistematica è stata eseguita per generalizzare sistematicamente la relazione tra epigenetica e malattie renali legate all’età.

L’epigenetica è un campo di ricerca in rapida crescita e c’è un profondo interesse nello sfruttare i fenomeni epigenetici come biomarcatori diagnostici o bersagli terapeutici delle malattie legate all’invecchiamento [29]. In questa recensione, riassumiamo l’attuale comprensione dei ruoli fisiopatologici dell’epigenetica, concentrandoci in particolare sulla metilazione del DNA, sulle modifiche degli istoni e sulla modulazione degli ncRNA, nelle malattie renali legate all’età. Allo stesso tempo, ci concentriamo sull’uso promettente di queste alterazioni epigenetiche come potenziali strumenti per la diagnosi precoce, il trattamento e la prevenzione delle malattie renali legate all’età. Nel loro insieme, suggeriamo che l’epigenetica svolga un ruolo chiave nel processo di invecchiamento e potrebbe essere utilizzata come potenziali bersagli terapeutici per il trattamento della malattia renale legata all’età, il che richiede ulteriori indagini per far avanzare le conoscenze pertinenti.

2. Fenotipo e meccanismo dell'invecchiamento renale

2.1. Meccanismi molecolari dell'invecchiamento

L’invecchiamento è associato a un inevitabile declino dipendente dal tempo delle funzioni cellulari, tissutali e organiche [30], che ha attirato l’ampia attenzione e curiosità dei ricercatori nel corso dell’intera storia dell’umanità [6]. Sebbene la teoria dell’invecchiamento basata sui radicali liberi sia stata proposta già nel 1956 da Denham Harman [31], fu solo nel 1983, quando i primi ceppi a vita lunga furono isolati da Caenorhabditis elegans, che iniziò una nuova era nella ricerca sull’invecchiamento [32 ]. Attualmente, i meccanismi proposti che contribuiscono al processo di invecchiamento includono instabilità genomica, logoramento dei telomeri, alterazioni epigenetiche, perdita di proteostasi, percezione deregolamentata dei nutrienti, disfunzione mitocondriale, senescenza cellulare ed esaurimento delle cellule staminali, nonché comunicazione intercellulare alterata. Inoltre, il processo di invecchiamento è profondamente influenzato anche da fattori esterni [33] come cattive abitudini di vita e fattori ambientali avversi, anch’essi associati all’invecchiamento del corpo [34,35]. Al contrario, abitudini di vita sane come buone abitudini alimentari e un moderato esercizio fisico possono ritardare efficacemente l’invecchiamento e migliorare la qualità della vita delle popolazioni che invecchiano [34,35]. Nonostante le numerose teorie che sono state proposte negli ultimi quattro decenni per spiegare il fenomeno del processo di invecchiamento, gli esatti meccanismi che guidano il processo fondamentale dell’invecchiamento non sono ancora completamente compresi [36,37]

Sebbene il processo di invecchiamento umano sia associato ad un graduale declino della funzione di una varietà di sistemi di organi, esiste una variazione sostanziale tra le persone della stessa fascia di età a causa di una combinazione di fattori genetici ed epigenetici, nonché di fattori ambientali [24]. Pertanto, non esiste un gold standard per determinare cosa costituisce un invecchiamento sano, né un singolo biomarcatore può fornire una misura valida e affidabile dell’invecchiamento biologico [38]. Negli ultimi decenni sono stati proposti e valutati una serie di candidati biomarcatori dell’invecchiamento ad alto potenziale, ma nessuno di essi si è rivelato universalmente applicabile [39-41]. Chiaramente, è necessaria una ricerca più approfondita per ottenere una comprensione sistemica dei meccanismi alla base del processo di invecchiamento per fornire una previsione accurata dell’invecchiamento e identificare gli individui ad alto rischio di sviluppare malattie o disabilità associate all’età.

2.2. Caratteristiche patologiche dell'invecchiamento renale

L’invecchiamento è associato a un inevitabile declino dipendente dal tempo della funzionalità renale e a una maggiore suscettibilità a varie malattie renali acute o croniche [5,6], imponendo un enorme onere ai sistemi sanitari a livello globale. Al fine di scoprire metodi efficaci per ritardare l’invecchiamento renale, sta diventando molto necessario identificare i fattori che guidano i cambiamenti associati all’età nel rene [3,42]. La salute del rene dipende da vari fattori tra cui il background genetico, il sesso, la razza, lo stress ossidativo e l’infiammazione cronica, nonché da fattori epigenetici (ad esempio, la metilazione del DNA, le modifiche degli istoni), che svolgono tutti un ruolo chiave nel processo di invecchiamento del rene. 43]. Sebbene i dati generati da esperimenti sia su cellule che su animali indichino molteplici percorsi di potenziale importanza per l’invecchiamento renale (Figura 1), i dati a sostegno del loro coinvolgimento negli esseri umani sono attualmente rari e sono necessarie ulteriori ricerche.

Figura 1. Diagramma schematico dei principali meccanismi e fenotipo dell'invecchiamento renale. Con l’aumentare dell’età si verificano cambiamenti significativi sia nella funzione che nella struttura del rene. Molteplici vie legate all’età contribuiscono ad alterare gli esiti renali negli anziani.

Con l'aumentare dell'età si verificano alterazioni irreversibili del rene sia a livello microscopico che macroscopico oltre che clinico e funzionale. È stato riportato che il peso renale diminuisce dalla terza all’ottava decade di vita, con il calo più marcato che si verifica dopo i 50 anni [44,45], ma l’analisi di imaging indica che il volume del parenchima renale rimane invariato [46]. Ciò può essere, in generale, attribuito all’ipertrofia compensatoria dei nefroni non affetti in risposta alla perdita di nefroni indotta dalla glomerulosclerosi e dall’atrofia tubulare [47]. Con l'invecchiamento si verificano numerosi cambiamenti strutturali nel rene, come dimostrato nella Figura 1, tra cui principalmente un numero ridotto di nefroni, una diminuzione delle dimensioni totali dei nefroni, uno spessore della membrana basale glomerulare (GBM), glomerulosclerosi, fibrosi interstiziale, arteriosclerosi e atrofia tubulare, che alla fine porta a una diminuzione del gruppo plasmatico renale (RPF) e della velocità di filtrazione glomerulare (GFR) [3,48]. Inoltre, i reni che invecchiano mostrano una maggiore vulnerabilità a condizioni avverse come lo stress ossidativo, i mediatori infiammatori e i fattori fibrotici [49,50].

Nel complesso, questi cambiamenti strutturali e funzionali legati all’età nel rene possono inevitabilmente predisporre i reni a vari disturbi renali acuti o cronici.

2.3. Disfunzione renale legata all'età

Per una migliore comprensione del processo di invecchiamento e per intervenire efficacemente su di esso, è particolarmente importante distinguere la differenza tra il processo di invecchiamento naturale e le disfunzioni legate all’età [51]. Questo punto è altamente pertinente per una varietà di malattie legate all’età, ma è particolarmente rilevante nel contesto della malattia renale. Sebbene l’invecchiamento di per sé non causi malattie renali, i cambiamenti strutturali e funzionali legati all’età possono predisporre gli individui anziani a varie malattie renali [7]. Ad esempio, in condizioni avverse come il danno da ischemia-riperfusione (IRI) e le tossine da nefrotossicità, gli anziani hanno una maggiore suscettibilità all’AKI [42,52]. Diversi studi hanno dimostrato che l’incidenza della malattia renale cronica negli anziani è 3-13 volte superiore a quella dei soggetti più giovani [53,54]. Inoltre, ci sono prove che la senescenza cellulare è coinvolta nella patogenesi della malattia renale diabetica (DKD) e che anche l’iperglicemia contribuisce alla senescenza cellulare nella DKD [55,56]. Sebbene la senescenza cellulare renale sia la causa alla base dello spargimento o della perdita delle cellule parenchimali glomerulari o tubulari legate all'età, la senescenza cellulare non sempre gioca un ruolo negativo in tutte le malattie renali. Ad esempio, la malattia del rene policistico autosomico dominante (ADPKD) è dovuta alla proliferazione incontrollata delle cellule epiteliali tubulari renali e l’inibitore della CDK, la roscovitina, potrebbe mitigare la progressione dell’ADPKD principalmente promuovendo la senescenza cellulare [57,58]. Attualmente, sebbene le alterazioni caratteristiche dell’invecchiamento renale siano state ben descritte, la distinzione tra invecchiamento normale e malattie renali legate all’età merita ulteriori chiarimenti. Comprendere le eziologie dell’invecchiamento renale e delle malattie renali legate all’età potrebbe consentire lo sviluppo razionale di interventi profilattici e di nuove strategie di trattamento mirate per la disfunzione renale. I risultati degli studi attuali suggeriscono che i cambiamenti epigenetici indotti da varie eziologie (ad esempio, uremia, senescenza cellulare, fattori psicologici, stile di vita e vari agenti patogeni) possono accelerare lo sviluppo di malattie renali legate all'età (Figura 2) [24]. Nel frattempo, è sempre più riconosciuto che le modificazioni epigenetiche nello sviluppo renale embrionale e adulto sono interconnesse e che la disregolazione influenza le malattie renali legate all’età [12]. Pertanto, un’ulteriore comprensione della regolazione delle modificazioni epigenetiche nello sviluppo renale embrionale e adulto migliorerà la nostra comprensione dei meccanismi molecolari delle malattie renali legate all’età e svilupperà nuovi trattamenti contro queste malattie.

Nel loro insieme, dagli studi attuali, possiamo concludere che, nonostante i grandi progressi compiuti nella comprensione del processo di invecchiamento renale e del declino associato della funzionalità renale, la patogenesi delle malattie renali legate all’età rimane ancora senza risposta e richiede ulteriori indagini.

Figura 2. Il panorama epigenetico media l’interazione tra eziologie e disfunzioni renali legate all’età. Sia le eziologie esogene che quelle endogene possono portare a cambiamenti nel panorama epigenetico che influiscono sull’invecchiamento e sulla fisiologia renale

3. Epigenetica e malattie renali legate all'età

Attualmente, i meccanismi responsabili del declino della funzione degli organi legato all’età non sono stati completamente compresi, ma prove crescenti suggeriscono che le alterazioni epigenetiche, tra cui principalmente la metilazione aberrante del DNA, le modificazioni post-traduzionali degli istoni e la regolazione da parte degli ncRNA, svolgono un ruolo importante in vari disturbi umani legati all'età come neurodegenerativi [59], malattie cardiovascolari [60] e stenosi spinale degenerativa [61], nonché varie malattie renali [24,62]. Nelle sezioni seguenti riassumeremo le conoscenze attuali sulle implicazioni dell’epigenetica nelle malattie renali legate all’età.

3.1. Metilazione del DNA nelle malattie renali legate all'età

Sebbene le modifiche covalenti delle basi del DNA fossero state descritte fin dal 1948 da Hotchkiss [63], fu solo nel 1969 che Griffifith e Mahler proposero che queste modifiche potessero comportare la modulazione dell'espressione genica [64]. In particolare, la principale modificazione nel DNA eucariotico è la 5-metilcitosina (5mC) [65], che si verifica principalmente nella quinta posizione dell'anello pirimidinico delle citosine. La metilazione del DNA, il primo meccanismo epigenetico identificato, che si verifica principalmente nei dinucleotidi citosina-fosfato-guanina (CpG) all’interno delle regioni del promotore del gene [66], è coinvolto nella regolazione dell’espressione genica attraverso l’inibizione di specifici fattori di trascrizione che si legano al DNA o reclutano mediatori della cromatina. rimodellamento (ad esempio, enzimi che modificano gli istoni) [67–70]. Nei mammiferi, i modelli di metilazione del DNA vengono normalmente stabiliti e mantenuti da tre DNA metiltransferasi (DNMT) [70,71] tra cui DNMT1, DNMT3a e DNMT3b, mentre al contrario, la demetilazione del DNA può essere ottenuta dagli enzimi di traslocazione delle dieci-undici (TET) attraverso la conversione di 5 mC in 5-idrossimetilcitosina (5hmC) [72,73].

La regolazione dinamica della metilazione e demetilazione del DNA è uno dei meccanismi di regolazione epigenetica più importanti nelle cellule eucariotiche, che fino ad ora non è stato completamente compreso. Prove crescenti hanno dimostrato che la metilazione aberrante del DNA di specifici siti CpG può fungere da biomarcatori sensibili per identificare individui a rischio di malattie legate all’età [61,74]. In particolare, le malattie renali legate all’età come la CKD e l’ESRD rappresentano un grave problema di sanità pubblica in tutto il mondo a causa della loro elevata morbilità tra le popolazioni che invecchiano. Diversi studi hanno esplorato bene le associazioni tra modelli di metilazione del DNA e malattie renali legate all’età [75-77]. Ad esempio, uno studio recente ha studiato i cambiamenti a livello genomico nella metilazione del DNA in campioni di biopsia renale ottenuti da 95 donatori di rene sani di età compresa tra 16 e 73 anni [11]. Un totale di 92.778 siti di metilazione CpG sono stati identificati come significativamente associati all'età del donatore attraverso l'analisi dei cambiamenti dell'intero genoma nella metilazione del DNA (più di 800,000 siti CpG) (FDR<0.05), corresponding to 10,285 differentially methylated regions. Interestingly, these regions were most frequently located in the Wnt/β-catenin signaling pathway-related genes including the dickkopf Wnt signaling inhibitors (DKK), several SOX transcription factors, Wnt inhibitory factor 1 (WIF1), secreted frizzled-related protein 2 (SFRP2), retinoic acid receptor alfa and beta (RARA and RARB), and so on. Hypermethylation in the promoter region of these Wnt signaling inhibitor genes may contribute to the activation of Wnt/β-catenin signaling in the aged kidney. Furthermore, Wnt/β-catenin signaling, a conserved signaling pathway in organ development, is kept silent in normal adult kidneys [78,79], which is reactivated predominately in tubular epithelial cells in a variety of CKD models [80]. Thus, hypermethylation of these Wnt signaling inhibitor genes induces activation of Wnt/β-catenin signaling, which may lead to aging-related renal changes by triggering tubular epithelial cell transition to mesenchymal or senescent phenotype and promoting renal fibrosis. This study clearly revealed a causal relationship between DNA hypermethylation and age-associated renal dysfunction [11], indicating that DNA methylation alterations could be a new class of potential non-invasive diagnostic and prognostic biomarkers for age-related kidney diseases. Moreover, numerous clinical observations and animal studies have demonstrated that DNA methylome alterations are implicit in the development and progression of CKD [81–84]. For example, an epigenome-wide association study (EWAS) was performed to investigate the genome-wide methylation profiles in whole blood samples from 4859 aging adults, which demonstrated that the epigenetic signatures were significantly associated with kidney function and CKD as well as with the clinical endpoint renal fibrosis [84]. In this study, the researchers identified 19 CpG sites associated with eGFR and CKD from whole blood samples, among which five CpG sites were associated with renal fibrosis and showed consistent and significant DNA methylation changes in renal cortical biopsy samples from CKD patients. The study revealed that eGFR-associated CpG sites were significantly enriched in regions bound to serval transcription factors including Early B-cell Factor1 (EBF1), E1A Binding Protein P300 (EP300), and CCAAT/enhancer-binding protein beta (CEBPB), highlighting the impact of epigenetic modifications on renal function. Moreover, previous studies have demonstrated that several targeted genes regulated by CEBPB, EBF1, and EP300 are essential for kidney development and function [85–88], suggesting that methylation alterations of CEBPB, EBF1, and EP300 target genes may block the regulation of CEBPB, EBF1, and EP300 on their target genes, leading to the development of CKD. Thus, CEBPB, EBF1, and EP300 may serve as promising candidates for future experimental studies to illuminate the underlying gene regulatory mechanisms linking differential DNA methylation to kidney function in health and disease. 

Nonostante numerosi studi di associazione sull’intero genoma e studi di associazione sull’epigenoma abbiano identificato cambiamenti significativi nella metilazione del DNA con l’invecchiamento e le malattie renali legate all’età, attualmente mancano ancora prove dirette che indichino che le alterazioni in particolari modelli di espressione genica così come nei geni La metilazione specifica del DNA influenza l'invecchiamento renale [17,18]. Uno studio più recente ha fornito prove evidenti della scoperta di importanti caratteristiche epigenetiche dell’invecchiamento renale [17]. Recentemente, Gao e colleghi hanno riferito che l'iniezione cronica di invecchiamento indotto da D-galattosio (D-gal) o di invecchiamento naturale dei reni ha portato a una significativa inibizione dell'espressione di KLOTHO e del fattore nucleare del fattore antietà eritroide derivato 2-like 2 (NRF2) , accompagnato da una maggiore espressione di DNMT (sottotipi di DNMT1, DNMT3a e DNMT3b) nonché da ipermetilazione del promotore del gene NRF2 e KLOTHO [17]. La somministrazione dell'agente demetilante del DNA, SGI-1027 e OLP, ha ridotto efficacemente la metilazione del DNA del promotore NRF2 e KLOTHO e ha alleviato i cambiamenti di alterazione strutturale e funzionale legati all'invecchiamento indotti da D-gal nei reni dei topi. In particolare, gli effetti anti-invecchiamento renale di SGI-1027 nei topi con invecchiamento indotto da D-gal sono stati significativamente aboliti silenziando KLOTHO in vivo. Da questo studio, possiamo concludere che la disregolazione di DNMT1/3a/3b contribuisce in modo significativo al processo di invecchiamento renale e che l’intervento epigenetico con agenti demetilanti il ​​DNA può mitigare le alterazioni dell’invecchiamento renale, suggerendo che l’alterazione di particolari modelli di espressione genica e la metilazione del DNA genomico possono effettivamente influenzare il processo di invecchiamento renale. Pertanto, lo sviluppo di strategie terapeutiche volte a invertire i cambiamenti epigenetici avversi associati all’età contribuirà allo sviluppo di nuovi interventi terapeutici che possono ritardare o alleviare l’invecchiamento renale e i disturbi renali associati all’età.

Dalla ricerca attuale sulla metilazione del DNA nelle malattie renali legate all'età (Tabella 1), possiamo concludere che la metilazione del DNA potrebbe aver esercitato funzioni regolatorie critiche sia nel normale invecchiamento renale che nelle malattie renali legate all'età. Tuttavia, gli studi attuali sono lungi dall’essere sufficienti per chiarire i meccanismi molecolari alla base dei cambiamenti di metilazione del DNA nelle malattie renali legate all’età. Inoltre, la maggior parte di queste indagini mancano di validazione sperimentale in vivo. Pertanto, in futuro saranno necessari studi più sistematici focalizzati sulle alterazioni della metilazione del DNA nelle malattie renali legate all’età e applicazioni cliniche.

Tabella 1. Metilazione del DNA inmalattie renali legate all’età.