Avanços recentes na epigenética das doenças renais relacionadas à idade

Abstrato:O envelhecimento renal tem atraído cada vez mais atenção na sociedade envelhecida de hoje, uma vez que os idosos com idade avançada são mais suscetíveis a váriosdistúrbios renaiscomo lesão renal aguda(LRA) edoença renal crônica(DRC). Não existe um mecanismo universal claro para identificardoenças renais relacionadas à idadee, portanto, representam um considerável problema médico edesafio de saúde pública. Epigenética refere-se ao estudo de modificações hereditárias na regulação da expressão genética que não requerem alterações na sequência do DNA genômico subjacente. Uma variedade de modificadores epigenéticos, como inibidores de histona desacetilase (HDAC) e inibidores de DNA metiltransferase (DNMT), foram propostos como potenciais biomarcadores e alvos terapêuticos em vários campos, incluindodoenças cardiovasculares, doenças do sistema imunológico, doenças do sistema nervosoe neoplasias. Evidências acumuladas nos últimos anos indicam que modificações epigenéticas têm sido implicadas emenvelhecimento renal. No entanto, nenhuma revisão sistemática anterior foi realizada para generalizar sistematicamente a relação entreepigenética e doenças renais relacionadas à idade. Nesta revisão, pretendemos resumir os recentes avanços nos mecanismos epigenéticos das doenças renais relacionadas à idade, bem como discutir a aplicação de modificadores epigenéticos como potenciais biomarcadores e alvos terapêuticos no campo dadoenças renais relacionadas à idade. Em resumo, os principais tipos de processos epigenéticos, incluindo metilação do DNA, modificações de histonas e modulação de RNA não codificante (ncRNA), foram todos implicados na progressão de doenças renais relacionadas à idade, e o direcionamento terapêutico desses processos produzirá novas estratégias terapêuticas para a prevenção e/ou tratamento de doenças renais relacionadas com a idade.

Palavras-chave: epigenética; modificação de histonas; Metilação do DNA; regulação de RNA não codificante;adoenças renais relacionadas ao ge

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1. Introdução

Com o rápido desenvolvimento da economia social e a melhoria dos cuidados de saúde, a esperança de vida da população em geral continuou a aumentar, resultando num aumento significativo da proporção da população idosa [1]. De acordo com estatísticas da Organização Mundial da Saúde (OMS), estima-se que haverá aproximadamente dois mil milhões de pessoas com mais de 60 anos em todo o mundo até 2050 [2–4]. Entre todos os problemas causados ​​pelo envelhecimento, o envelhecimento renal está se tornando não negligenciável. Embora o processo de envelhecimento não cause diretamente doenças renais, os rins envelhecidos são mais suscetíveis a vários fatores adversos, como hipertensão, diabetes, obesidade ou distúrbios renais primários, que podem contribuir para o desenvolvimento de patologias renais. O envelhecimento está associado a um inevitável declínio dependente do tempo na função renal [5,6]. As principais características patológicas do rim envelhecido incluem arteriosclerose, glomeruloesclerose, atrofia tubular e fibrose intersticial [7]. Especificamente, numerosos estudos indicaram que o envelhecimento é reconhecido como um dos principais contribuintes para o aumento da incidência de lesão renal aguda (LRA) e doença renal crónica (DRC) na população em geral [7–9]. Além disso, a incidência de mortes devido à disfunção renal está a aumentar globalmente em paralelo com o envelhecimento da população. No entanto, os mecanismos subjacentes ao envelhecimento renal ainda não foram claramente elucidados e continuam a ser o foco da investigação atual. Assim, enfrentar sabiamente os desafios do envelhecimento da população exige identificar as causas profundas deste fenómeno, bem como resolver eficazmente os problemas, o que trará enormes benefícios sociais.

Até agora, descobriu-se que vários mecanismos estão intimamente associados ao declínio da função orgânica associada à idade, incluindo instabilidade do genoma, atrito dos telômeros, alterações epigenéticas, perda de proteostase, detecção desregulada de nutrientes, disfunção mitocondrial, senescência celular e exaustão de células-tronco, bem como comunicação intercelular alterada [6,10], entre as quais as alterações epigenéticas são as marcas recém-identificadas do envelhecimento na última década [6,11]. A epigenética refere-se principalmente ao estudo de processos moleculares que regulam a expressão gênica, bem como o fenótipo sem alterar a sequência primária do DNA, que envolve principalmente metilação do DNA, modificações pós-traducionais de histonas, remodelação da cromatina e regulação por RNAs não codificantes (ncRNAs). Nos últimos anos, o papel crítico das alterações epigenéticas tem recebido cada vez mais atenção pelo seu envolvimento em vários processos de doenças, bem como nas funções fisiológicas normais. Além disso, agora é geralmente aceito que a metilação do DNA e a modificação das histonas são impressas durante o desenvolvimento embrionário e devem ser mantidas em adultos para a saúde e estabilidade fenotípica [12]. Entretanto, evidências crescentes sugerem que o envelhecimento celular e do organismo está intimamente ligado a mudanças profundas numa série de modificações epigenéticas, levando a padrões alterados de expressão genética [13,14]. Em particular, o acúmulo de evidências demonstrou que alterações epigenéticas, como metilação do DNA [15–18], modificações de histonas [19,20] e regulação de ncRNAs [21–23] estão envolvidas no início e no desenvolvimento de processos de envelhecimento renal [24 ]. Recentemente, modificações epigenéticas aberrantes, incluindo principalmente metilação do DNA [11,17], modificações de histonas [20,25,26] e regulação de ncRNAs [27,28] também têm sido cada vez mais implicadas na condução de distúrbios renais relacionados à idade. No entanto, nenhuma revisão sistemática anterior foi realizada para generalizar sistematicamente a relação entre epigenética e doenças renais relacionadas à idade.

A epigenética é um campo de pesquisa em rápido crescimento e há um profundo interesse em explorar os fenômenos epigenéticos como biomarcadores diagnósticos ou alvos terapêuticos de doenças relacionadas ao envelhecimento [29]. Nesta revisão, resumimos a compreensão atual dos papéis fisiopatológicos da epigenética, focando particularmente na metilação do DNA, modificações de histonas e modulação de ncRNAs, em doenças renais relacionadas à idade. Ao mesmo tempo, focamos no uso promissor dessas alterações epigenéticas como ferramentas potenciais para o diagnóstico precoce, tratamento e prevenção de doenças renais relacionadas à idade. Em conjunto, sugerimos que a epigenética desempenha um papel fundamental no processo de envelhecimento e pode ser utilizada como potenciais alvos terapêuticos para o tratamento de doenças renais relacionadas com a idade, o que justifica uma investigação mais aprofundada para avançar no conhecimento relevante.

2. O fenótipo e o mecanismo do envelhecimento renal

2.1. Mecanismos moleculares do envelhecimento

O envelhecimento está associado a um inevitável declínio dependente do tempo nas funções celulares, teciduais e orgânicas [30], o que tem atraído grande atenção e curiosidade de pesquisadores ao longo de toda a história da humanidade [6]. Embora a teoria dos radicais livres do envelhecimento tenha sido proposta já em 1956 por Denham Harman [31], foi somente em 1983, quando as primeiras cepas de vida longa foram isoladas de Caenorhabditis elegans, que uma nova era na pesquisa do envelhecimento começou [32]. ]. Atualmente, os mecanismos propostos que contribuem para o processo de envelhecimento incluem instabilidade genômica, desgaste dos telômeros, alterações epigenéticas, perda de proteostase, detecção desregulada de nutrientes, disfunção mitocondrial, senescência celular e exaustão de células-tronco, bem como alteração da comunicação intercelular. Além disso, o processo de envelhecimento também é profundamente influenciado por fatores externos [33], como maus hábitos de vida e fatores ambientais adversos, que também estão associados ao envelhecimento do corpo [34,35]. Em contraste, hábitos de vida saudáveis, como bons hábitos alimentares e exercício moderado, podem efetivamente retardar o envelhecimento e melhorar a qualidade de vida das populações idosas [34,35]. Apesar das inúmeras teorias que foram propostas durante as últimas quatro décadas para explicar o fenômeno do processo de envelhecimento, os mecanismos exatos que impulsionam o processo fundamental do envelhecimento ainda não são totalmente compreendidos [36,37]

Embora o processo de envelhecimento humano esteja associado a um declínio gradual na função de uma variedade de sistemas orgânicos, existe uma variação substancial entre pessoas da mesma faixa etária devido a uma combinação de fatores genéticos e epigenéticos, bem como de fatores ambientais [24]. Como tal, não existe um padrão ouro para determinar o que constitui um envelhecimento saudável, nem um único biomarcador pode fornecer uma medida válida e confiável do envelhecimento biológico [38]. Nas últimas décadas, uma série de candidatos a biomarcadores de envelhecimento de alto potencial foram propostos e avaliados, mas nenhum deles se revelou universalmente aplicável [39–41]. É evidente que é necessária uma investigação mais aprofundada para obter uma compreensão sistémica dos mecanismos subjacentes ao processo de envelhecimento, para fornecer uma previsão precisa do envelhecimento e identificar indivíduos com alto risco de desenvolver doenças ou deficiências associadas à idade.

2.2. Características patológicas do envelhecimento renal

O envelhecimento está associado a um inevitável declínio dependente do tempo na função renal e ao aumento da susceptibilidade a várias doenças renais agudas ou crónicas [5,6], impondo um enorme fardo aos sistemas de saúde a nível mundial. A fim de descobrir métodos eficientes para retardar o envelhecimento renal, torna-se muito necessário identificar os fatores que impulsionam as alterações renais associadas à idade [3,42]. A saúde dos rins depende de vários fatores, incluindo antecedentes genéticos, sexo, raça, estresse oxidativo e inflamação crônica, bem como fatores epigenéticos (por exemplo, metilação do DNA, modificações de histonas), todos os quais desempenham um papel fundamental no processo de envelhecimento renal. 43]. Embora os dados gerados a partir de experiências com células e animais indiquem múltiplas vias de importância potencial para o envelhecimento renal (Figura 1), os dados que apoiam o seu envolvimento em humanos são atualmente raros, sendo necessária investigação adicional.

Figura 1. Diagrama esquemático dos principais mecanismos e fenótipo do envelhecimento renal. Com o aumento da idade, ocorrem alterações significativas tanto na função quanto na estrutura do rim. Múltiplas vias relacionadas à idade contribuem para resultados renais alterados em idosos.

Com o aumento da idade, ocorrem alterações irreversíveis no rim, tanto a nível microscópico e macroscópico, como clínico e funcional. Foi relatado que o peso renal diminui da terceira à oitava década de vida, com o declínio mais acentuado ocorrendo após os 50 anos de idade [44,45], mas a análise de imagem indica que o volume do parênquima renal permanece inalterado [46]. Isto pode ser, em grande parte, atribuído à hipertrofia compensatória de néfrons não afetados em resposta à perda de néfrons induzida pela glomeruloesclerose e atrofia tubular [47]. Uma série de alterações estruturais ocorrem no rim com o envelhecimento, como demonstrado na Figura 1, incluindo principalmente redução do número de néfrons, diminuição do tamanho total dos néfrons, espessura da membrana basal glomerular (GBM), glomeruloesclerose, fibrose intersticial, arteriosclerose e atrofia tubular, que em última análise, leva à diminuição do plasma renal (RPF) e da taxa de filtração glomerular (TFG) [3,48]. Além disso, os rins envelhecidos apresentam maior vulnerabilidade a condições adversas, como estresse oxidativo, mediadores inflamatórios e fatores fibróticos [49,50].

Coletivamente, essas alterações estruturais e funcionais relacionadas à idade nos rins podem inevitavelmente predispor os rins a vários distúrbios renais agudos ou crônicos.

2.3. Disfunção Renal Relacionada à Idade

Para uma melhor compreensão do processo de envelhecimento, para intervir eficazmente nele, é especialmente importante distinguir a diferença entre o processo natural de envelhecimento e as disfunções relacionadas com a idade [51]. Este ponto é altamente pertinente para uma variedade de doenças relacionadas com a idade, mas é especialmente relevante no contexto da doença renal. Embora o envelhecimento em si não cause doenças renais, as alterações estruturais e funcionais relacionadas à idade podem predispor os indivíduos idosos a várias doenças renais [7]. Por exemplo, sob condições adversas, como lesão de isquemia-reperfusão (IRI) e toxinas insultuosas de nefrotoxicidade, os idosos têm maior suscetibilidade à LRA [42,52]. Vários estudos demonstraram que a incidência de DRC em idosos é 3–13 vezes maior do que em indivíduos mais jovens [53,54]. Além disso, há evidências de que a senescência celular está envolvida na patogênese da doença renal diabética (DKD), e que a hiperglicemia também contribui para a senescência celular na DKD [55,56]. Embora a senescência celular renal seja a causa subjacente da eliminação ou perda de células parenquimatosas glomerulares ou tubulares relacionadas à idade, a senescência celular nem sempre desempenha um papel adverso em todas as doenças renais. Por exemplo, a doença renal policística autossômica dominante (ADPKD) é devida à proliferação descontrolada de células epiteliais tubulares renais, e o inibidor de CDK, a roscovitina, poderia mitigar a progressão da ADPKD principalmente ao promover a senescência celular [57,58]. Atualmente, embora as alterações características do envelhecimento renal tenham sido bem descritas, a distinção entre envelhecimento normal e doenças renais relacionadas à idade merece maior elucidação. A compreensão das etiologias do envelhecimento renal e das doenças renais relacionadas à idade pode permitir o desenvolvimento racional de intervenções profiláticas, bem como de novas estratégias de tratamento direcionadas para a disfunção renal. Os resultados dos estudos atuais sugerem que alterações epigenéticas induzidas por várias etiologias (por exemplo, uremia, senescência celular, psicológica, estilo de vida e vários patógenos) podem precipitar o desenvolvimento de doenças renais relacionadas à idade (Figura 2) [24]. Enquanto isso, é cada vez mais reconhecido que as modificações epigenéticas no desenvolvimento renal embrionário e adulto estão interligadas e a desregulação influencia as doenças renais relacionadas à idade [12]. Assim, uma maior compreensão da regulação da modificação epigenética no desenvolvimento renal embrionário e adulto irá melhorar a nossa compreensão dos mecanismos moleculares das doenças renais relacionadas com a idade e desenvolver novos tratamentos contra estas doenças.

Em conjunto, a partir dos estudos atuais, podemos concluir que, apesar dos grandes progressos realizados na compreensão do processo de envelhecimento renal e do declínio associado da função renal, a patogénese das doenças renais relacionadas com a idade ainda permanece sem resposta e merece uma investigação mais aprofundada.

Figura 2. A paisagem epigenética medeia a interação entre etiologias e disfunções renais relacionadas à idade. Ambas as etiologias exógenas e endógenas podem levar a mudanças no cenário epigenético que impactam o envelhecimento renal e a fisiologia

3. Epigenética e doenças renais relacionadas à idade

Atualmente, os mecanismos responsáveis ​​pelo declínio da função orgânica relacionado à idade não foram totalmente compreendidos, mas evidências crescentes sugerem que alterações epigenéticas, incluindo principalmente metilação aberrante do DNA, modificações pós-traducionais de histonas e regulação por ncRNAs, desempenham um papel importante em vários distúrbios humanos relacionados à idade, como doenças neurodegenerativas [59], doenças cardiovasculares [60] e estenose espinhal degenerativa [61], bem como várias doenças renais [24,62]. Nas seções seguintes, resumiremos o conhecimento atual sobre as implicações da epigenética nas doenças renais relacionadas à idade.

3.1. Metilação do DNA em doenças renais relacionadas à idade

Embora modificações covalentes de bases de DNA tenham sido descritas desde 1948 por Hotchkiss [63], foi somente em 1969 que Griffifith e Mahler propuseram que essas modificações podem envolver a modulação da expressão gênica [64]. Em particular, a principal modificação no DNA de eucariotos é a 5-metilcitosina (5mC) [65], que ocorre principalmente na quinta posição do anel pirimidina das citosinas. A metilação do DNA, o primeiro mecanismo epigenético identificado, que ocorre principalmente nos dinucleotídeos citosina-fosfato-guanina (CpG) nas regiões promotoras do gene (66), está envolvida na regulação da expressão gênica através da inibição de fatores de transcrição específicos que se ligam ao DNA ou do recrutamento de mediadores da cromatina. remodelação (por exemplo, enzimas modificadoras de histonas) [67–70]. Em mamíferos, os padrões de metilação do DNA são rotineiramente estabelecidos e mantidos por três DNA metiltransferases (DNMT) [70,71], incluindo DNMT1, DNMT3a e DNMT3b, enquanto, em contraste, a desmetilação do DNA pode ser alcançada pelas enzimas de translocação dez-onze (TET). através da conversão de 5mC em 5-hidroximetilcitosina (5hmC) [72,73].

A regulação dinâmica da metilação e desmetilação do DNA é um dos mecanismos reguladores epigenéticos mais importantes nas células eucarióticas, que até agora não foi totalmente compreendido. Evidências crescentes demonstraram que a metilação aberrante do DNA de locais CpG específicos pode servir como biomarcadores sensíveis para identificar indivíduos em risco de doenças relacionadas à idade [61,74]. Em particular, as doenças renais relacionadas com a idade, como a DRC e a DRT, são um importante problema de saúde pública em todo o mundo devido à sua elevada morbilidade entre as populações idosas. Vários estudos exploraram bem as associações entre os padrões de metilação do DNA e doenças renais relacionadas à idade [75–77]. Por exemplo, um estudo recente investigou as alterações genômicas na metilação do DNA em amostras de biópsia renal obtidas de 95 doadores de rim saudáveis ​​com idades entre 16 e 73 anos [11]. Um total de 92.778 locais de metilação CpG foram identificados como significativamente associados à idade do doador por meio da análise de mudanças em todo o genoma na metilação do DNA (mais de 800,000 locais 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. 

Apesar de vários estudos de associação genómica e de epigenoma terem identificado alterações significativas na metilação do ADN com o envelhecimento e doenças renais relacionadas com a idade, ainda faltam evidências diretas que indiquem que alterações em padrões específicos de expressão genética, bem como genes A metilação específica do DNA influencia o envelhecimento renal [17,18]. Um estudo mais recente forneceu fortes evidências para a descoberta de importantes características epigenéticas do envelhecimento renal [17]. Recentemente, Gao e colegas relataram que a injeção crônica de envelhecimento induzido por D-galactose (D-gal) ou envelhecimento natural dos rins levou a uma inibição significativa da expressão KLOTHO e do fator nuclear antienvelhecimento derivado de eritróide 2-like 2 (NRF2) , acompanhado por aumento da expressão de DNMTs (subtipos de DNMT1, DNMT3a e DNMT3b), bem como hipermetilação do promotor do gene NRF2 e KLOTHO [17]. A administração do agente desmetilante de DNA, SGI-1027 e OLP, reduziu efetivamente a metilação do DNA do promotor NRF2 e KLOTHO e aliviou alterações estruturais e funcionais relacionadas ao envelhecimento induzidas por D-gal em rins de camundongos. Notavelmente, os efeitos anti-envelhecimento renal do SGI -1027 em camundongos com envelhecimento induzido por D-gal foram significativamente abolidos pelo silenciamento do KLOTHO in vivo. A partir deste estudo, podemos concluir que a desregulação do DNMT1/3a/3b contribui significativamente para o processo de envelhecimento renal e a intervenção epigenética com agentes desmetilantes do DNA pode mitigar as alterações do envelhecimento renal, sugerindo que a alteração de padrões específicos de expressão gênica e a metilação do DNA genômico podem de fato influenciar o processo de envelhecimento renal. Assim, o desenvolvimento de estratégias terapêuticas destinadas a reverter alterações epigenéticas adversas associadas à idade contribuirá para o desenvolvimento de novas intervenções terapêuticas que possam retardar ou aliviar o envelhecimento renal e as doenças renais associadas à idade.

A partir da investigação actual sobre a metilação do ADN em doenças renais relacionadas com a idade (Tabela 1), podemos concluir que a metilação do ADN pode ter exercido funções reguladoras críticas tanto no envelhecimento renal normal como nas doenças renais relacionadas com a idade. No entanto, os presentes estudos estão longe de ser suficientes para elucidar os mecanismos moleculares subjacentes às alterações na metilação do DNA nas doenças renais relacionadas à idade. Além disso, a maioria destas investigações carece de validação experimental in vivo. Portanto, estudos mais sistemáticos focados nas alterações da metilação do DNA em doenças renais relacionadas à idade e aplicações clínicas são necessários no futuro.

Tabela 1. Metilação do DNA emdoenças renais relacionadas à idade.