Epigenética y diabetes mellitus tipo 2

La diabetes mellitus tipo 2 (T2DM, por sus siglas en inglés) es una enfermedad crónica multifactorial caracterizada por hiperglicemia, un resultado del deterioro en la función de las células beta pancreáticas y resistencia a la insulina por el hígado y tejidos periféricos objetivo, como el músculo esquelético y el tejido adiposo. En la resistencia a la insulina, las células corporales muestran una respuesta reducida a la insulina, lo que a su vez disminuye la liberación de glucosa en la sangre lo que lleva a mayor síntesis de glucosa en el hígado, y esto obliga a las células beta a compensar produciendo más insulina. Al final la pérdida de balance deriva en hiperglicemia. Los elevados niveles de glucosa en sangre (y deficiencia en los tejidos) pueden dañar órganos y llevar a complicaciones del sistema cardiovascular, ojos, neuronas y riñones, entre otros.

La incidencia de T2DM varía ampliamente, pero se incrementa rápidamente a nivel mundial, debido principalmente al incremento de edad en muchas poblaciones, la urbanización y la mayor prevalencia de obesidad e inactividad física. Se proyecta que entre los años 2000 y 2030, el número de diabéticos en el mundo se duplicará, alcanzando unos 366 millones de individuos.

La T2DM ha sido vista por largo tiempo como el resultado de una compleja interacción entre el genoma y factores ambientales. La importancia de la genética es resaltada por el hecho de que gemelos monocigóticos tienen una tasa de concordancia de T2DM de aproximadamente el 70%, comparado con solamente 20%-30% de los gemelos dicigóticos. La prole de un padre T2DM tiene un riesgo de por vida de desarrollar la enfermedad cercano al 40%, mientras que si ambos padres tienen T2DM, el riesgo se convierte en 70%. Muchas variantes genéticas han sido asociadas con la enfermedad, pero la causalidad ha sido elusiva. Aunque los estudios recientes en el genoma completo han descubierto aproximadamente 40 variantes genéticas comunes previamente desconocidas asociadas con T2DM, ha habido menos éxito en identificar factores epigenéticos de importancia para la enfermedad.

Mientras que el envejecimiento, la obesidad y la inactividad física incrementan la susceptibilidad a T2DM, estos factores pueden también cambiar el patrón epigenético en los tejidos objetivo de T2DM y afectar subsecuentemente la expresión génica y el metabolismo. Los mecanismos epigenéticos pueden, por lo tanto, jugar un importante papel en la patogénesis de T2DM y sus complicaciones. El entendimiento adicional de los cambios epigenéticos inducidos por estos factores de riesgo puede ayudar a desarrollar herramientas que predigan, diagnostiquen y traten la enfermedad. Con la ayuda de más estudios epigenéticos del genoma completo, puede ser posible diseccionar a profundidad el papel de la metilación del ácido desoxirribonucleico (DNA, por sus siglas en inglés) y las modificaciones a las histonas en el desarrollo de T2DM.

El papel de la epigenética

En 1992 se propuso que los factores ambientales experimentados en la vida temprana podían aumentar el riesgo de T2DM en la vida posterior. En particular, la desnutrición y el bajo peso al nacer mostraron una relación con la T2DM, la resistencia a la insulina y el deterioro en la secreción de insulina en la vida adulta. La nutrición inadecuada, al inducir alteraciones crónicas en el metabolismo, los niveles de hormonas y en el número de células, contribuye al riesgo de T2DM. La plasticidad en el desarrollo hace posible para el embrión humano temprano adaptarse a su ambiente en un momento dado, pero cuando la situación ambiental cambia, después en la vida, el beneficio del mejor uso de los nutrimentos se vuelve una desventaja. Como el genoma no puede cambiar, la programación ambiental puede ser mediada por la reprogramación epigenética.

Las células beta pancreáticas sintetizan y secretan insulina. La regulación de la expresión del gen de insulina (INS) no se comprende del todo, pero existe evidencia de involucramiento epigenético tanto de estudios sobre la estructura de la cromatina como en el nivel de metilación del DNA. En una línea de células beta de ratón, el promotor proximal Ins es hiperacetilado en los residuos lisina de la histona 3 (H3) e hipermetilado en la lisina 4 de H3 (H3K4), marcas asociadas con una estructura de eucromatina abierta y genes transcritos activamente. Estas marcas no son detectadas en las líneas celulares no beta.

Las células madre embrionarias tienen un patrón intermedio, consistente con su potencial para diferenciarse en una célula que expresa insulina. Adicionalmente, en las isletas pancreáticas humanas, el gen INS despliega un patrón de cromatina típico de los genes activos, incluyendo hiperacetilación de la histona 4 (H4) y dimetilación de H3K4 (H3K4me2). Estos padrones de modificaciones de histona no están presentes en otros tipos celulares, los que en su lugar despliegan niveles elevados de marcas inactivas. Los sitios CpG tanto en los promotores de ratón Ins2 y humano INS, están desmetilados en las células beta productoras de insulina y la metilación de estos sitios suprime la expresión génica de insulina.

Evidencia importante sobre el papel de los factores epigenéticos en la patogénesis de T2DM proviene de los análisis de minado de datos (data mining) de más de 12 millones de registros Medline. El estudio encontró que la metilación y la cromatina se incluyen en os hits principales, relacionados implícitamente a la T2DM. Los fenotipos comunes involucrados en el surgimiento y patología de T2DM, los cuales son compartidos por enfermedades asociadas a cambios en la metilación del DNA, fueron también identificados; ejemplos son la expresión aberrante de los genes ligados a X, oncogénesis, surgimiento de la enfermedad de Huntington, en los cuales la probabilidad de enfermedad se incrementa con la edad. Similarmente, le surgimiento de T2DM tiende a ocurrir tarde en la vida, con una severidad que se incrementa con el tiempo.

Aunque existe apoyo para el papel de la epigenética en la patogénesis de T2DM, los estudios concluyentes en tejidos humanos son limitados. En un estudio, la S-adenosilmetionina (SAM), el principal donador fisiológico de grupos metilo, estuvo disminuido en los eritrocitos de pacientes con T2DM. Adicionalmente, una disminución en el donador de metilo estuvo asociada con la progresión de la enfermedad. En efecto, el tratamiento con SAM mejora la sensibilidad a la insulina en un modelo rata de resistencia a la insulina y T2DM, debido posiblemente a un incremento en la densidad de DNA mitocondrial en el músculo esquelético. Otro estudio funcional que evaluó a la epigenética en el tejido humano con T2DM concierne al coactivador 1-alfa del receptor activado por proliferador de peroxisoma gamma (PGC-1α, codificado por el gen PPARGC1A), un coactivador transcripcional de genes mitocondriales involucrado en la producción normal de ATP y la secreción de insulina por las células beta pancreáticas. El estudio mostró que el nivel de metilación de DNA es incrementado en una región promotora de PPARGC1A en las isletas pancreáticas de pacientes con T2DM, cuando se comparan con las isletas de donadores humanos sanos. Este incremento en la metilación de DNA se correlaciona con una disminución en la expresión del mRNA de PPARGC1A; adicionalmente, la expresión de PPARGC1A está positivamente correlacionada con la secreción de insulina estimulada por glucosa. Más aun, en el músculo esquelético de pacientes con T2DM, un incremento en la metilación del DNA es paralelo a un decremento en la expresión de mRNA de PPARGC1A y al contenido mitocondrial, con una alta proporción de metilación no-CpG en la región del promotor de PPARGC1A.

Envejecimiento, diabetes mellitus tipo 2 y cambios epigenéticos

La fosforilación oxidativa (OXPHOS, por sus siglas en inglés) en las mitocondrias resulta en la producción de ATP, el cual es la principal fuente celular de energía. La capacidad oxidativa  y la función mitocondrial declinan con la edad y son de gran importancia en el entendimiento de la patogénesis de T2DM. Varios genes OXPHOS son regulados a la baja en el músculo esquelético de pacientes con T2DM. Uno de estos, COX7A1, tiene más metilación de DNA del promotor en el músculo esquelético de ancianos, comparado con el de individuos jóvenes. En las células musculares de los individuos ancianos, la expresión del mRNA de COX7A1 está disminuida y el nivel de transcripto está positivamente correlacionado con la captura de glucosa in vivo.

La expresión de otro gen OXPHOS, NDUFB6, es también afectada por la metilación de DNA en el músculo esquelético humano. El sitio de metilación de DNA asociado con la expresión de mRNA de NDUFB6 es introducido por un polimorfismo de un nucleótido (SNP), rs629566, el cual introduce tanto un dinucleótido CG y un sitio putativo ligador de factor de transcripción para la cremallera de leucina de retina neural (NRL) en el promotor de NDUFB6. Los portadores jóvenes de este SNP no muestran metilación de DNA en el sitio CpG introducido por el SNP ni los 3 sitios CpG adicionales localizados en las posiciones -634, -663 y -676, y tienen expresión más alta de mRNA que los portadores del alelo común que no introduce un sitio de metilación. En contraste, los individuos ancianos que portan el SNP que introduce el sitio de metilación muestran un incremento en la metilación del DNA del promotor (58% ± 16%), una disminución en la expresión del mRNA de NDUFB6 y un metabolismo in vivo reducido. Estos hallazgos sugieren que la edad incrementa la desregulación de la metilación del DNA en el músculo esquelético humano. Este cambio afecta la expresión génica y los fenotipos T2DM, como la sensibilidad a la insulina.

Un cambio en la metilación de DNA con el incremento de la edad también se ha encontrado en modelos animales. Una disminución en la actividad de glucoquinasa (GCK, por sus siglas en inglés) hepática, una enzima clave en la utilización de glucosa, está asociado con la resistencia a la insulina y T2DM. En los hepatocitos de rata, la expresión y actividad de Gck declinan con la edad, con un aumento concurrente de la metilación de DNA. Adicionalmente, cultivar hepatocitos de rata procedentes de ratas ancianas con 5-aza-2’-desoxicitidina restauró la expresión de Gck y disminuyó la metilación del DNA.

La proliferación de células beta pancreáticas disminuye con la edad tanto en roedores como en humanos. Un enlace entre el locus CDKN2A y la susceptibilidad a T2DM ha sido confirmado. El locus murino Cdkn2a codifica Ink4a y Arf, los cuales son reguladores negativos del ciclo celular que limitan la proliferación de células beta. Ezh2 es una metiltransferasa de histona que reprime a Ink4a y Arf en las células beta de las isletas y está positivamente correlacionada con la proliferación de células beta.  A medida que los niveles de Ezh2 declinan con el envejecimiento de las células beta, la trimetilación de H3 disminuye en el locus Ink4a/Arf, concurrente con un incremento en la expresión de Ink4a y Arf. Todavía debe determinarse si esta metiltransferasa de histona también tiene un papel regulador en las isletas pancreáticas humanas y en la patogénesis de T2DM.

El papel de la nutrición y la obesidad en la epigenética de la diabetes mellitus tipo 2

La obesidad y la dieta son factores importantes en la susceptibilidad a T2DM, aunque la evidencia de los efectos de la nutrición en los cambios epigenéticos relacionados a T2DM ha sido, hasta hace poco, principalmente circunstancial y no confirmada experimentalmente. Se han realizado estudios epidemiológicos detallados en grupos bien definidos de individuos expuestos a hambrunas en diferentes puntos de tiempo.  Por ejemplo, se ha demostrado que los niños cuyas madres fueron expuestas a hambruna durante la gestación temprana y media durante el invierno de la hambruna en Holanda (noviembre 1944 a mayo 1945) tuvieron el doble de tasa de obesidad sobre los controles al momento de enrolarse en la armada. Cuando las mujeres quieres fueron expuestas al hambre alrededor del tiempo de la concepción fueron estudiadas a los 50 años de edad, su índice de masa corporal (BMI, por sus siglas en inglés) se había incrementado 7.4%. Los autores hipotetizaron que perturbaciones de los sistemas reguladores endócrinos centrales, que fueron establecidos durante la gestación temprana, contribuyen al desarrollo de obesidad abdominal en la vida posterior; las mujeres expuestas alrededor del tiempo de la concepción fueron estudiadas a los 55 años de edad y no solamente presentaban BMI más alto, sino también incrementos en otros índices de masa corporal y distribución de masa, tales como peso, circunferencia de cintura y circunferencia al muslo medio.

La exposición al hambre en la gestación media o final también está asociada con un incremento de 0.4-0.5 mmol en la concentración de glucosa en sangre a los 120 minutos en una prueba de tolerancia a glucosa oral (OGTT, por sus siglas en inglés). Adicionalmente, la exposición prenatal al hambre está relacionada a incrementos en las concentraciones en ayuno de pro-insulina e insulina a los 120 min en la OGTT, sugiriendo una asociación con la resistencia a la insulina. De hecho, los bebes con bajo peso al nacer cuyas madres tuvieron bajo peso corporal tienen las concentraciones más elevadas de glucosa en sangre a los 120 minutos. Esta asociación es particularmente cierta en aquellos que se desarrollaron en adultos obesos. La prole de madres con una diabetes gestacional tratada con dieta o diabetes tipo 1 (T1DM, por sus siglas en inglés) tienen un mayor riesgo de síndrome metabólico, como triglicéridos en plasma elevados, obesidad central y alta presión arterial, síntomas asociados con un riesgo incrementado de enfermedad cardiovascular y T2DM. El riesgo se incrementó con una elevación en los niveles de glucosa sanguínea en ayuno de la madre y en los niveles de glucosa sanguínea a los 120 min luego de un reto de glucosa en una prueba OGTT.

Estos estudios epidemiológicos se han expandido para valorar cambios en las marcas epigenéticas. En los individuos expuestos al invierno de la hambruna en Holanda, los cambios en la metilación del DNA estuvieron presentes 6 décadas después. Se encontró que la exposición periconcepción al hambre está asociada con decrementos en la metilación del DNA en el promotor de los genes IGF2 e INSIGF, mientras que la metilación del DNA está incrementada en los promotores de IL10, LEP, ABCA1, GNASAS y MEG3. La exposición durante el final del embarazo fue solamente asociada con un incremento en la metilación de la región promotora de GNASAS.

La prole en un modelo rata de retraso de crecimiento intrauterino tiene una masa reducida de célula beta y un nivel más bajo de expresión de Pdx1. Pdx1 es el factor de transcripción homeobox 1 pancreático y duodenal que es esencial para el desarrollo y función de las células beta. En un feto con crecimiento retardado, el promotor proximal de Pdx1 ha perdido el enlace del factor de transcripción USF1, y recluta HDAC1 y el correpresor Sin3A, resultando en la desacetilación de H3 y H4. Luego del nacimiento, H3K4 es desmetilada mientras que la lisina 9 de H4 (H4K9) es metilada. Todos estos cambios pueden ser revertidos por inhibición de HDAC y esto también normaliza la expresión de Pdx1. En la prole adulta que desarrolla diabetes, la isla CpG del promotor Pdx1 está metilada, lo que silencia permanentemente la expresión de Pdx1. Estos cambios en la metilación del DNA están ligados a mayores niveles de expresión de Dnmt1 y 3a.

En otro modelo, ratas fueron alimentadas con una dieta restringida en proteína durante el embarazo. La prole tanto en la generación F1 como en la F2 tuvo niveles más bajos de metilación de los promotores Ppara y receptor glucocorticoide (GR110) hepáticos. En ambas generaciones estos bajos niveles fueron acompañados por tendencias para expresión incrementada de Ppara, GR110, acil-CoA oxidasa y Pepck. Este estudio proporciona evidencia de cambios epigenéticos inducidos nutricionalmente, siendo transmitidos transgeneracionalmente. En un estudio más detallado por el mismo grupo, la restricción de proteína durante el embarazo llevó a un decremento en la metilación del DNA y un incremento en la expresión del GR110 hepático. La expresión de Dnmt1 fue disminuida en la prole de las ratas alimentadas con una dieta restringida en proteína. Adicionalmente, los niveles de marcas de histonas activadas estuvieron elevados, mientras que los niveles de marcas de inactivación fueron disminuidos en el promotor GR110. La suplementación con ácido fólico de la dieta restringida en proteína durante el embarazo previno la disminución en la metilación de DNA en el promotor Ppara hepático. Cuando el ácido fólico fue suplementado, en su lugar, durante el desarrollo juvenil, indujo la metilación del promotor Ppara y GR110 en el hígado y una disminución en la metilación del promotor del receptor de insulina en el hígado y tejido adiposo, independientemente de la dieta materna durante el embarazo. Estos cambios fueron reflejados en los niveles de expresión del mRNA.

En ovejas, la restricción dietaria de metionina, folato y vitamina B12 periconcepción derivó en prole que era más pesada, más gorda, resistente a la insulina y una respuesta inmune alterada a retos alergénicos. Adicionalmente, las ovejas macho fueron hipertensas. Esto puede ser debido a un cambio en el estatus de metilación en 4% de las 1,400 islas CpG en el hígado fetal, más de la mitad de las cuales fueron específicas para los machos.

En fetos de macacos japoneses alimentados con una dieta alta en grasa por un periodo de 1-4 años, los niveles de lisina 14 de H3 acetilada hepática (H3K14) fueron incrementados, pero los niveles de acetilación y metilación de otras marcas de histona no cambiaron. Las expresiones de mRNA y proteína de HDAC1 fueron disminuidas mientras que las expresiones de los genes involucrados en metabolismo, estrés oxidativo y ritmo circadiano fueron incrementadas. Los triglicéridos hepáticos y los correlacionados histológicos de la enfermedad de hígado graso no alcohólico estuvieron incrementados en los fetos.

En un modelo ratón de enfermedad de hígado graso no alcohólico, en el cual los ratones fueron alimentados con una dieta deficiente en metilo, la metilación global del DNA hepático estuvo disminuida, especialmente en secuencias repetitivas en los satélites mayores y menores. Esto estuvo asociado con expresión significativamente disminuida en proteína de Dnmt1, un incremento en el nivel de lisina 9 trimetilada en H3 (H3K9me3) y un decremento en lisina 20 trimetilada de H4 (H4K20me3). En hígados de ratones sometidos a ayuno, el promotor del gen ácido graso sintetasa (Fasn) fue desacetilado por HDAC9 en el sitio de enlace para el factor de transcripción USF1. En el estado alimentado o luego de realimentación, USF1 estuvo unido al promotor, permitiendo la expresión de Fasn. Los niveles de expresión de mRNA de Fasn estuvieron elevados en el estado alimentado y bajos en el estado de ayuno. El ayuno de corta duración lleva a gluconeogénesis en el hígado, en respuesta a incrementos en los niveles de glucagón resultantes del incremento en proteólisis de músculo esquelético. Sin embargo, el ayuno de larga duración lleva a una acción de conservación de proteína por la producción de cetona hepática, una característica de T1DM. El glucagón dispara la desfosforilación y translocación nuclear del coactivador de transcripción regulado por CREB 2 (CRTC2 o TORC2). Al mismo tiempo, un decremento en la señalización de insulina aumenta la expresión del gen gluconeogénico a través de la desfosforilación  y transporte (de ida y vuelta o shuttling) de la caja cabeza de tenedor O1 (forkhead box O1 o FOXO1). Luego de la inducción de glucagón, CRTC2 se asocia con la histona acetiltransferasa p300, la cual a su vez estimula la expresión del gen gluconeogénico. Durante el fin del periodo de ayuno, el promotor de CRTC2 es desacetilado por medio de la desacetilasa sensible a nutrimento sirtuina 1 (SIRT1), mientras que FOXO1 apoya la expresión del gen gluconeogénico. No se sabe si estos procesos están alterados en T2DM.

La leptina, codificada por el gen LEP, es una hormona que regula la captura y gasto, siendo primariamente expresada en adipocitos diferenciados del tejido adiposo blanco. La metilación del DNA en el promotor Lep es modulada por la obesidad inducida por una dieta alta en grasa, en ratas. En la diferenciación del adipocito, la metilación del DNA del promotor LEP disminuye de los preadipocitos a los adipocitos; esto está asociado con la expresión de LEP en los adipocitos. Adicionalmente, la densidad de metilación de los promotores LEP en las células grasas es menor que en los leucocitos sanguíneos periféricos, aunque también varía en los leucocitos. Esto sugiere que el estado epigenético del promotor LEP no es estable sino que está sujeto a fluctuaciones. En las células espermáticas de humano y ratón, el promotor LEP está no metilado; esto sugiere que la reprogramación epigenética ocurre durante la espermatogénesis.  El promotor del gen Pparg, un regulador clave de la adipogénesis, está metilado en los preadipocitos de ratón y, como los preadipocitos se diferencian en adipocitos, la metilación decrece y la expresión génica se incrementa. En el ratón db/db, un modelo ratón obeso diabético con una mutación en el receptor de leptina, el promotor de Pparg está más altamente metilado y su expresión está disminuida comparada con los controles. Cuando células cultivadas del ratón db/db fueron tratadas con 5-aza-desoxicitidina, el inhibidor de DNA metilasa, la metilación del promotor disminuyó y la expresión de mRNA de Pparg se incrementó. Similarmente, la metilación del DNA de sitios CpG específicos en el promotor Glut4 de ratón disminuyó cuando los preadipocitos se diferenciaron en adipocitos.

La interrupción genética de la interacción entre el correpresor de receptor nuclear 1 (Ncor1) y HDAC3 resulta en ratones cuyo ritmo circadiano es anormal y cuyos consumos de lípidos fueron incrementados. El fenotipo resultante es delgado, sensible a la insulina y resistente a la obesidad. Estudios genéticos han mostrado que un polimorfismo en el receptor de melatonina 1b incrementa el riesgo de T2DM, pero no se sabe si los genes que regulan el ritmo circadiano y el metabolismo están epigenéticamente cambiados en los humanos con T2DM.

Los HDAC clase III responden a factores metabólicos y a la relación intracelular NAD+ /NADH debido a que requieren de la hidrólisis de NAD+ para su acción. En las células de mamífero, el citrato citoplásmico derivado de mitocondria (derivado de la glucosa en el ciclo del ácido tricarboxílico) sirve como sustrato para la ATP-citrato liasa (ACL) para generar acetil-CoA para lipogénesis y acetilación de histona por HATs. A medida que tanto citrato como acetato pasan libremente a través del complejo de poros del núcleo en donde pueden interactuar con ACL, el acetil-CoA es producido en el núcleo, abasteciendo así el sustrato para la acetilación mediada por HAT. En la diferenciación de preadipocitos a adipocitos, el silenciado de ACL resulta en adipocitos con gotas de lípido más pequeñas, el tamaño de las cuales podría ser parcialmente restaurado por incubación de las células en acetato; esto sugiere que los cambios dependientes de ACL en la acetilación de histona son necesarios para la captura y metabolismo de glucosa que preceden al almacenamiento de grasa en los adipocitos. En efecto, en células ACL-silenciadas, las expresiones del transportador de glucosa GLUT4, de los reguladores glicolíticos hexoquinasa 2, fosfofructoquinasa 1 y lactato deshidrogenasa A, y de los genes involucrados en la conversión de glucosa a ácidos grasos y aminoácidos no esenciales están disminuidas. La reducción en la expresión de GLUT4 está acoplada con la reducción específica de la acetilación de H3 y H4 en su promotor. Este hallazgo indica de nuevo la importancia de las modificaciones epigenéticas en la regulación del metabolismo.

En ratones, una dieta elevada en grasas disminuye la expresión de mRNA de Ppargc1a en el músculo esquelético. La incubación de miotubos con ácidos grasos saturados de cadena larga disminuye la expresión de mRNA de Ppargc1a y disminuye severamente la actividad de su promotor. Estos decrementos son revertidos cuando la actividad de HDAC es inhibida.

En ratas diabéticas con neuropatía diabética, el ayuno intermitente evita tanto la fosforilación de H3 como la expresión disminuida de Sir2, una desacetilasa de histona dependiente de NAD+. Esto a su vez mejora los niveles de nitrógeno de urea, creatinina, albúmina y colesterol HDL en sangre.

Se ha demostrado en ratones un papel para la desmetilasa 2a de histona jumonji (Jhdm2a) específica para H3K9 en la regulación de la expresión génica metabólica y el control de peso. La interrupción de esta actividad enzimática causa obesidad e hiperlipidemia a través de interferencia con la liberación de glicerol β-adrenérgico-estimulada. También afecta el consumo de oxígeno en la grasa café y una reducción en la oxidación de grasa y liberación de glicerol en músculo esquelético. En dicho músculo esquelético, el Jhdm2a noqueado regula a la baja los genes involucrados en procesos metabólicos. Uno de los objetivos (targets) para Jhdm2a en el músculo esquelético es PPARα, un importante regulador del metabolismo de ácidos grasos. En la grasa café, la estimulación β-adrenérgica induce la unión de Jhdm2a a un elemento responsivo a PPAR en el gen de proteína desacopladora Ucp1; esto reduce H3K9me2 en este elemento responsivo, facilitando así el reclutamiento de PPARγ y RXRα, del coactivador transcripcional Pgc-1a y de CBP/p300 y Src1 al elemento PPAR-responsivo de Ucp1. Esto resulta en un incremento en la liberación de glicerol y consumo de oxígeno en la grasa café.

Actividad física y epigenética

La inactividad física es un factor de riesgo para T2DM. Sin embargo, solamente un número limitado de estudios han investigado el papel de la epigenética en el ejercicio. Las células del músculo esquelético capturan glucosa a través de una translocación del transportador de glucosa GLUT4, dependiente de insulina. En el ejercicio agudo, la transcripción de GLUT4 se incrementa, como lo hace la expresión de la proteína de GLUT4. El promotor de GLUT4 contiene un sitio de enlace de factor de transcripción para el factor mejorador de miocito 2 (MEF2), el cual es crítico para la regulación de la expresión de GLUT4. En el estado de reposo, MEF2 interactúa con HDAC5, lo cual reprime la acción de MEF2 y la expresión de GLUT4 vía desacetilación de histonas en el promotor de GLUT4. La interacción entre MEF2 y HDAC5 es interrumpida por el ejercicio, posiblemente por la proteína quinasa activada por adenosina-5’-monofosfato (AMPK) o CaMKII. Esto induce una señal que causa que HDAC5 se traslade hacia el citosol. Después del ejercicio agudo, la asociación entre MEF2 y HDAC5 disminuye un 24%, y la cantidad de HDAC5 en el núcleo disminuye un 54%. GLUT4 es expresado en respuesta al ejercicio cuando MEF2 se asocia con HATs; esto involucra al coactivador transcripcional PGC-1α para el reclutamiento subsecuente de HATs hacia el promotor de GLUT4. AMPK es activada por el ejercicio. La estimulación del músculo esquelético con activadores de AMPK o el medicamento para diabetes metformina, el cual estimula a AMPK, incrementa la expresión de la proteína PGC-1α en el músculo esquelético.

En el hígado de rata, el HDAC Sirt1 desacetila y activa funcionalmente la proteína PGC-1α. En el músculo esquelético de rata, las expresiones tanto de PGC-1α como de Sirt1 son más altas en la fibra muscular roja oxidativa más lenta que en la fibra muscular blanca glicolítica rápida. Tanto el ejercicio agudo como el ejercicio de resistencia incrementan las expresiones de proteínas PGC-1α y Sirt1 en las fibras oxidativas rojas. Sirt1 también afecta otros genes metabólicos en la célula de músculo esquelético, posiblemente contribuyendo a la adaptación de la célula muscular al ejercicio de resistencia. Dado que el ejercicio afecta la expresión de PGC-1α en el músculo vía AMPK y Sirt1, además de que metformina estimula la expresión de PGC-1α vía AMPK, la estimulación de PGC-1α puede ser el mecanismo que previene la resistencia a la insulina, parcialmente debido a que PGC-1α modula la biogénesis mitocondrial.

En ratas inactivas, las fibras musculares oxidativas lentas cambian a fibras glicolíticas rápidas. Esto coincide con cambios en la acetilación de H3 y H4K4me3 de los genes de cadenas gruesas de miosina específicos para la mayoría de los tipos de fibra. Si el ejercicio cambia el estado redox de las células del músculo esquelético, esto afectaría la actividad desacetilasa de Sirt1 y alteraría la expresión génica.

Complicaciones diabéticas y cambios epigenéticos

T2DM puede llevar a complicaciones secundarias, como macroangiopatía en los vasos sanguíneos grandes del corazón, el cerebro y las piernas, así como microangiopatía en los vasos sanguíneos pequeños de riñones, ojos y nervios.  Las complicaciones cardiovasculares resultantes en ataque o infartos al corazón son la principal causa de muerte en los pacientes diabéticos. La duración de la enfermedad y el grado de control glicémico son importantes factores de riesgo para las complicaciones diabéticas, y aún el control intensivo de glucosa por 3-5 años en pacientes con diabetes no reduce el riesgo de complicaciones macrovasculares, lo que puede ser debido a los cambios de largo plazo epigenéticamente inducidos, que resultan de la hiperglicemia y persisten por más de 5 años.

La inflamación vascular y el incremento en la expresión de los genes inflamatorios son eventos importantes en la progresión de las complicaciones diabéticas. El factor de transcripción factor nuclear κ-B (NF-κB) regula la expresión de genes involucrados en enfermedades inflamatorias, incluyendo complicaciones diabéticas y arterioesclerosis. La hiperglicemia induce la actividad de NF-κB y la expresión de citosinas proinflamatorias en los monocitos. Esto involucra la interacción entre NF-κB y las histona-acetiltransferasas (como CBP/p300), resultando en la hiperacetilación de histonas en los promotores de genes objetivo (target), incluyendo el factor de necrosis de tumor alfa (TNF-α) y COX-2. Adicionalmente, la  H3K4-metiltransferasa SET7/9 estimula la metilación de H3K4 y el reclutamiento de NF-κB p65 a los promotores de genes proinflamatorios. NF-κB puede por lo tanto requerir de modificaciones de histona para inducir la expresión de genes inflamatorios durante la hiperglicemia.

El nivel medio promediado al tiempo de glicemia, medido como HbA1c, explica solamente en parte la variabilidad de riesgo en el desarrollo de complicaciones diabéticas y la persistencia de complicaciones vasculares, a pesar del control mejorado de glucosa. La hiperglicemia transitoria puede, por lo tanto, inducir cambios epigenéticos sostenidos que actúan en la expresión génica regulada por NF-κB e incrementan el riesgo de complicaciones vasculares a largo plazo. Estos cambios epigenéticos involucran el reclutamiento de SET7 y la monometilación de H3K4 en el promotor de NF-κB subunidad p65 y la subsecuente expresión de p65 y la actividad de NK-κB en las células endoteliales aorticas. Estos cambios persisten por 6 días durante el cultivo subsecuente de células endoteliales aorticas en niveles normales de glucosa; eso apoya la inferencia de que la hiperglicemia transitoria genera marcas epigenéticas persistentes. La sobreexpresión de genes que reducen la producción de superóxido mitocondrial, como UCP1, MnSOD o GLO1, evita los cambios epigenéticos inducidos por hiperglicemia transitoria. Adicionalmente, la hiperglicemia transitoria causa que LSD1, una histona-desmetilasa, sea reclutada al promotor NK-κB p65, disminuyendo así su metilación en H3K9. En efecto, las modificaciones epigenéticas inducidas por hiperglicemia transitoria pueden ser la explicación para la llamada “memoria hiperglicémica”.

Cuando la marca de cromatina H3K9me2, generalmente asociada con la expresión génica reducida, fue mapeada en linfocitos y monocitos sanguíneos de pacientes con T1DM y controles sanos, los genes involucrados en las rutas relacionadas a la inflamación, incluyendo NF-κB e IL-6, mostraron H3K9me2 alteradas en las células de los pacientes diabéticos.

Las células del músculo liso vascular de ratones db/db diabéticos tienen niveles disminuidos de H3K9me3 (una marca inactiva) y niveles elevados de H3K4me2 (una marca activa) en los promotores de genes inflamatorios, como IL-6 y Mcp-1, en paralelo con niveles disminuidos de la H3K9me3-metiltransferasa Suv39h1 y una histona-desmetilasa, la desmetilasa específica para lisina 1 (Lsd1). Interesantemente, la sobreexpresión de Suv39h1 en las células de músculo liso vascular de ratones db/db diabéticos revertió el fenotipo diabético, mientras que por otra parte el silenciado génico de SUV39H1 en células de músculo liso vascular humano incrementó la expresión de los genes inflamatorios.

Esto abre la posibilidad de que “medicamentos epigenéticos” como los inhibidores de HDAC, pueden ser utilizados para tratar las complicaciones diabéticas. Interesantemente, el infarto al miocardio y la isquemia inducen la actividad de HDAC, llevando en paralelo a un decremento en la acetilación de histona de H3 y H4 en el corazón. Cuando el infarto al miocardio ha sido tratado con inhibidores químicos de HDAC, el área de infarto y la muerte celular fueron reducidas.

Basándose en el conocimiento actual, es evidente que los mecanismos epigenéticos juegan un papel importante en la patogénesis de T2DM y sus complicaciones. Sin embargo, estamos tan solo comenzando a comprender cuales y cómo los factores epigenéticos afectan la T2DM. El uso de tecnologías de todo el genoma para estudiar los cambios epigenéticos en los tejidos objetivo de T2DM, tanto en grupos de riesgo antes de que la enfermedad se haya desarrollado y en pacientes con T2DM, ayudará a identificar más genes candidato que son regulados por factores epigenéticos. Esto también nos ayuda a entender si la regulación epigenética es una causa o una consecuencia de la enfermedad.