Epigenetik, DNA-Methylierungsmodifikation und Osteoporose

Knochen unterstützen nicht nur den Körper und schützen die inneren Organe, sondern haben auch vielfältige Stoffwechselfunktionen, insbesondere bei der Aufrechterhaltung des Mineralstoffhaushaltes des Körpers.

Osteoporose als Krankheit

Knochengewebe befindet sich immer in einem dynamischen Gleichgewicht zwischen Knochenresorption und Knochenbildung, das als Knochenumbau bezeichnet wird. Wenn die Knochenresorption die Knochenbildung übersteigt, kommt es zu einem Knochenverlust, der in schweren Fällen zu Osteoporose führt.

Die Osteoporose als systemische Erkrankung des Knochenstoffwechsels ist die häufigste Skeletterkrankung des Menschen. Man spricht von Osteoporose, wenn der Knochen von der Entwicklung her so fragil angelegt ist oder im Lauf des Lebens sich dahingehend verändert hat, dass er nicht die ausreichende Bruchfestigkeit aufweist, um den physikalischen Belastungen eines durchschnittlichen Lebens standzuhalten.

Osteoporose als Krankheit ist gekennzeichnet durch ein erhöhtes Frakturrisiko als Folge eines Knochenmasseverlustes und veränderter Mikroarchitektur des Knochens (European foundation for osteoporosis 1991). Ausgehend von den Ursachen für die Erkrankung unterscheidet man zwischen der primären und der sekundären Osteoporose. Hauptanteil aller Osteoporosen bilden die primären Osteoporosen, hierzu werden die idiopathischen Osteoporosen beim jungen Menschen, die postmenopausale Osteoporose (Typ I Osteoporose) und die senile Osteoporose (Typ II Osteoporose) gezählt. Sekundäre Osteoporosen sind die Folge anderer Primärerkrankungen oder sind medikamentös bedingt. Häufigste Ursache ist hier die Langzeittherapie mit Steroiden, die sogenannte steroidinduzierte Osteoporose .

Besonders häufig treten Osteoporose-assoziierte Frakturen im Bereich der Wirbelkörper, des Femur Halses und der Trochanter-Region sowie am distalen Radius auf. Osteoporose-assoziierte Frakturen bedeuten für den Patienten, durch die damit verbundenen Schmerzen und die resultierende Immobilität, eine erhebliche Einbuße an Lebensqualität. Diese Frakturen sind zudem mit einer erhöhten Mortalität insbesondere im ersten Jahr nach der Fraktur verbunden (Dachverband Osteologie e.V. 2009).

Gealterte mesenchymale Stammzellen führen zu einem höheren Risiko für Osteoporose

Mesenchymale Stammzellen (MSC, engl. Mesenchymal Stem Cells) des Knochenmarks sind nicht hämatopoetische Zellen und haben die Fähigkeit der Selbsterneuerung und der Differenzierung in unterschiedlichste Gewebe wie Knorpel, Knochen, Fettgewebe, Sehnengewebe und Nervengewebe.  Mesenchymale Stammzellen haben auch die Fähigkeit zur Migration. In Zusammenhang mit der Geweberegeneration ermöglicht dies die Migration zum Ort der Gewebeschädigung.

Die Erschöpfung der Stammzellen ist ein bekanntes Kennzeichen des Alterungsprozesses. Mesenchymale Stammzellen des Knochenmarks spielen aufgrund ihrer Fähigkeit, Knochen zu regenerieren, indem sie Adipozyten, Chondrozyten und Osteoblasten bilden, eine wichtige Rolle beim Altern. Dabei zeigen gealterte MSCs eine verminderte Fähigkeit, in osteogene und chondrogene Linien zu differenzieren. Dieses Merkmal wurde mit einem erhöhten Fettgehalt im Knochenmark im Alter und einem gleichzeitig höheren Risiko für Osteoporose und Frakturen in Verbindung gebracht.

Regulation der Knochenbildung und Epigenetik

In den letzten Jahren haben Studien gezeigt, dass die Epigenetik an der Regulation der Knochenbildung beteiligt ist und die Differenzierung von Osteoblasten und Osteoklasten signifikant beeinflussen kann.

Die drei Haupttypen epigenetischer Modifikationen, nämlich DNA- Methylierung , nicht-kodierende RNAs und Histon-Modifikationen. Sie sind sehr eng verknüpft mit der Knochenformation während der Entwicklung und der Regeneration, aber auch mit dem adaptiven „Bone Remodeling“ im Erwachsenenalter.

Epigenetik, im Gegensatz zur Genetik, bezeichnet die verschiedenen, über die DNA-Sequenz hinausgehenden Strukturen und Funktionen der DNA-Protein-Matrix (Chromatin innerhalb eines Chromosoms), die die Genexpression, ohne dass die Sequenz der DNA verändert wird, regulieren.

Epigenetische Merkmale wie z. B. die direkte biochemischen Modifikationen der DNA durch Methylierung, als das Vorhandensein oder Fehlen von Methylgruppen an der DNA, können durch Umwelteinflüsse und Verhalten verändert und in veränderter Form vererbt werden.

Histone (DNA-Verpackungsproteine im Zellkern) für die es fünf Typen gibt (H1, H2A, H2B, H3 und H4), sind niedermolekulare Proteine, die reich an positiv geladenen basischen Aminosäuren (Arginin und Lysin) sind und mit negativ geladenen Phosphatgruppen in der DNA interagieren können.

Die chemische Modifikation von Histon tritt am N-terminalen Fortsatz des Proteins auf, insbesondere für H3 und H4, was Veränderungen in der Chromatinstruktur fördert.

Das Nukleosom ist ein Komplex aus mehreren Histon-Untereinheiten und DNA, der DNA und epigenetische Informationen schützt.

Die posttranslationale Modifikation von Histonen ist ein wichtiger Schritt in der epigenetischen Regulation. Durch enzymatische Veränderungen der Histone wie Acetylierung, Phosphorylierung und Methylierung kann die DNA-Histon-Verbindung gelockert oder gefestigt werden. Dadurch entsteht Euchromatin, das die Expression der Gene durch Bindung von Transkriptionsfaktoren ermöglicht, oder Heterochromatin, das die Transkription verhindert.

MicroRNAs (miRNAs) nehmen eine besondere Rolle bei der posttranskriptionellen Regulation der Genexpression ein, da eine einzelne miRNA an über 100 verschiedene Boten-RNAs (mRNAs) binden kann, und umgekehrt eine mRNA durch verschiedene microRNAs moduliert werden kann. So können bereits durch Änderungen der Expression weniger miRNAs zelluläre Netzwerke moduliert werden. Die zelluläre Konzentration von miRNAs wird u. a. durch Anpassung der Transkription, Prozessierung und Degradation reguliert. Eine Dysregulation der miRNA-Expression wurde bei einer Reihe verschiedener Erkrankungen beobachtet und vor allem auf eine veränderte DNA Methylierung von miRNA-Promotorregionen zurückgeführt.

Was ist DNA-Methylierung und warum ist sie wichtig?

DNA-Methylierung beinhaltet die Umwandlung von Cytosin in 5-Methylcytosin (5mC), hauptsächlich aufgrund einer DNA-Methyltransferase (DNMT)-Enzym, die eine Methylgruppe von S-Adenosyl-Methionin (Ademetionin) auf das 5. Kohlenstoffatom des Cytosin-Rings überträgt. Diese Umwandlung findet normalerweise innerhalb von CpG-Dinukleotid-Stellen statt (Bereiche der DNA, in denen einem Cytosin-Nukleotid unmittelbar ein Guanin-Nukleotid folgt), obwohl es auch bei Nicht-CpG-Methylierungen vorkommt. Solche epigenetischen DNA-Modifikationen sind an der Regulation der Genexpression beteiligt, entweder über die Interaktion mit Promotoren, Enhancern, Transkriptionsfaktoren und Genkörpern oder über die Stimulierung der Transkriptionsverlängerung und des Genspleißens.

Mit zunehmendem Alter wird berichtet, dass die genomweite Methylierung im Allgemeinen über mehrere Gewebe hinweg abnimmt (als Hypomethylierung bezeichnet).

Crosstalk zwischen Metabolismus und epigenetischer Regulation von Chromatin 

Metabolismus = der Stoffwechsel, – steht für die Aufnahme, den Transport und die chemische Umwandlung von Stoffen in einem Organismus sowie die Abgabe von Stoffwechselendprodukten an die Umgebung –  und Chromatin, – letzteres bezeichnet das gesamte Erbmaterial (Erbgut) – , sind stark miteinander verflochten.

Die Regulierung des Zellstoffwechsels zur Unterstützung aller zellulären Aktivitäten ist für die Aufrechterhaltung der Zellhomöostase, des Wachstums, der Proliferation, der Migration, der Differenzierung und der Apoptose unerlässlich.

Genauer gesagt liefert der intrazelluläre Stoffwechsel Metaboliten, die als essentielle Cofaktoren und Substrate für Chromatin-modifizierende Enzyme dienen und deren Verfügbarkeit die Aktivität dieser Enzyme stark beeinflussen kann. Viele dieser Metaboliten werden in den Mitochondrien erzeugt und dies stellt eine enge mitochondrial-nukleäre Verbindung her.

Eine Schlüsselmodifikation des Chromatins ist die Methylierung durch Methyltransferasen

Eine Reihe von Methyltransferasen, darunter DNA-Methyltransferasen (DNMTs), Lysin-Methyltransferasen (KMTs) und Peptidyl-Arginin-Methyltransferasen (PRMTs), sind an der epigenetischen Genregulation beteiligt.

DNA-Methyltransferasen (DNMTs) spielen eine erhebliche Rolle bei der Genomstabilität, Genexpression und individuellen Entwicklung.

Modifikationen der DNA-Methylierung werden hauptsächlich durch Proteine der DNMT-Familie kontrolliert und S-Adenosylmethionin (Ademetionin) wird als singulärer Methylgruppendonor für Cytosinreste auf CpG-Inseln verwendet ( Xu et a. Normalerweise liegen CpG-Inseln auf Genen in einem unmethylierten Zustand vor, und die Methylierung der Cytosine auf diesen Inseln kann die Expression des Gens hemmen ( Niu et al., 2020). Ein bestimmter Hypomethylierungsstatus fördert die Expression verwandter Gene, während ein Hypermethylierungsstatus zu Gen-Silencing führt.

Durch eine Abnahme der de novo S-Adenosyl-L-Methionin (Ademetionin)-Biosynthese kommt es bereits im frühen Erwachsenen Alter zu einem S-Adenosyl-L-Methionin (Ademetionin)-Mangel.

S-Adenosyl-L-Methionin (Ademetionin) wird in den Zellen aus Methionin und ATP durch das Enzym Methionin-Adenosyl-Transferase in Anwesenheit von zweiwertigen Kationen wie Mg2+, Co2+ oder Mn2+ synthetisiert.

Bei der S-Adenosyl-L-Methionin (Ademetionin)-Synthese wird die Adenosylgruppe eines ATP auf das Schwefelatom von Methionin übertragen. Dabei werden Orthophosphat (Pi) und ein Molekül Pyrophosphat (PPi) gebildet, das sekundär zu 2 Pi hydrolysiert wird. Es werden also alle drei Phosphatreste von ATP hydrolytisch getrennt, um die Reaktion mit der dabei freiwerdenden Energie anzutreiben. Die positive Ladung an seinem Schwefelatom macht S-Adenosylmethionin (Ademetionin) zu dem Methylgruppenüberträger.

Der universelle Methylgruppen-Donor S-Adenosyl-L-Methionin (Ademetionin) besitzt ein deutlich höheres Übertragungspotenzial für Methylgruppen als Tetrahydrofolat (THF).

Histon- und DNA-Methylierung werden gehemmt, wenn der S- Adenosylmethionin (Ademetionin)-Spiegel niedrig ist

Die Methylierung wird durch die Häufigkeit von S- Adenosylmethionin (Ademetionin) reguliert, wobei S- Adenosylmethionin (Ademetionin) als universeller Methylgruppendonor dient und von Methionin-Adenosyltransferasen (MATs) aus Methionin und ATP synthetisiert wird.  Dementsprechend induziert S- Adenosylmethionin (Ademetionin) eine DNA-und Histon-Methylierung und beeinflusst die Genexpression.

Für eine S-Adenosylmethionin- Substitution ist der Verzehr von Nahrungsmitteln, die reich an methylspendenden Nährstoffen sind eine Option, wobei die Beteiligung von Methionin am nDNA-Methylierungsniveau  bestätigt werden konnte, oder aber mit einer besseren Sicherheit für die tägliche Bereitstellung von S- Adenosylmethionin (Ademetionin), ist eine direkte präventive Nahrungsergänzungsmittel-Substitution mit S- Adenosylmethionin (Ademetionin), Folsäure und Vitamin B6, Vitamin B12  in der Praxis vorteilhafter.

 

Osteogene Differenzierungsmarker, die durch DNA-Methylierungsmodifikation reguliert werden:

  • DNMT‘s und DNA-Methylierungsinhibitoren

DNA-Methyltransferasen, auch DNA-MTasen (DNMTs) genannt, sind Enzyme, die Methylgruppen auf Nukleinbasen der DNA übertragen. 

DNMTi umfassen nukleosidanaloge Inhibitoren und nichtnukleosidische Inhibitoren. 5-Azacytidin und 5-Aza-2′-desoxycytidin (Decitabin) sind Cytidin- Analoga mit einem Stickstoffatom anstelle von Kohlenstoff in der fünften Position des Rings.

Studien haben gezeigt, dass DNMTs eine wichtige Rolle in der Knochenbiologie spielen und Methylierungshemmer den Osteogeneseprozess beeinflussen können.

So kann DNMT3a die Osteoklastendifferenzierung und Knochenabsorption fördern indem es den Interferon-Regulationsfaktor 8 (IRF8) hemmt, der die Osteoklastendifferenzierung negativ reguliert. DNMT3a hemmt IRF8 hauptsächlich, indem es die Methylierung des entfernten regulatorischen Elements IRF8 erhöht, und eine Erhöhung der Konzentration von S-Adenosyl-L-Methionin (Ademetionin) kann seine Methylierung fördern.

  • RUNX2 und OSX

Runt-related Transcription Factor 2 (RUNX2) und OSX (Osterix)   sind spezifische Transkriptionsfaktoren, die für die Knochenbildung und Osteoblastendifferenzierung notwendig sind, Während der Osteoblastendifferenzierung von MSCs wird der Grad der RUNX2-Methylierung verringert, was darauf hindeutet, dass die RUNX2-Methylierung eine wichtige regulatorische Rolle bei der Osteoblastendifferenzierung spielt.

  • BMP2

Das knochenmorphogenetische Protein 2 (BMP2) ist ein wichtiger Knochenwachstumsfaktor, der MSCs dazu anregen kann, sich zu Osteoblasten zu differenzieren. Studien zeigten, dass eine Hypermethylierung des BMP2-Promotors in Osteoblasten die Expression von Genen im Zusammenhang mit der Knochenbildung hemmen kann.

  • ALP und OCN

Alkalische Phosphatase (ALP) und Osteocalcin (OCN) werden hauptsächlich von Osteoblasten sezerniert, und beide werden als die häufigsten Knochenbildungsmarker verwendet, um die osteogene Aktivität zu beurteilen.

Es wurde festgestellt, dass die Alkalische Phosphatase  (ALP)-Promotorregionen in menschlichen Osteoblasten und Osteoklasten entgegengesetzte DNA-Methylierungsprofile aufwiesen, da sie in Osteoklasten hypomethyliert und die in Osteoblasten hypermethyliert sind.

Osteocalcin  (OCN) ist ein wichtiger Marker der osteogenen Differenzierung. Während der Differenzierung von primären Osteoblasten wird die Methylierung des OCN-Promotors allmählich verringert, was darauf hindeutet, dass die Hypomethylierung von OCN die osteogene Differenzierung fördert.

  • Alu-Sequenzen sind eine Familie sich wiederholender DNA-Sequenzen

Während der Phase des schnellen Wachstums bei Kindern ist der Methylierungsgrad des Alu-Elements signifikant erhöht.

Studien zeigten, dass der Methylierungsgrad der Alu-Elemente negativ mit der Knochenbildung korreliert und der Hypomethylierungsgrad der Alu-Elemente mit dem Auftreten von Osteoporose in Zusammenhang steht.

  • Der Wnt/β-Catenin-Signalweg 

Das wichtigste nachgeschaltete Effektorprotein im Wnt/β-Catenin-Signalweg ist der Transkriptionsaktivator β-Catenin. Auch die Gene im Wnt-Signalweg werden durch DNA-Methylierung reguliert. Chiba et al., 2015  zeigte, dass die DNA-Methylierung die Expression und Aktivität von Molekülen im Wnt/β-Catenin-Signalweg reguliert und somit an den pathologischen Mechanismen der Osteoporose beteiligt ist.

  • Der OPG/RANKL/RANK-Signalweg 

Der Knochenumbau wird durch das RANKL-RANK-OPG-System eng reguliert, und die aktuellen Studien zum Zusammenhang zwischen DNA-Methylierung und Osteoporose konzentrieren sich hauptsächlich darauf.

Osteoprotegerin (OPG) und Nuclear Factor-κB (NF-κB/RANK)-Ligand (RANKL) sind wichtige Determinanten der Knochenqualität und -stärke.

RANKL bindet an RANK, einen in Osteoklastenlinien vorhandenen Rezeptor, der die Osteoklastenbildung, -aktivierung und das Überleben aktiviert. Die Bindung von RANKL an OPG kann eine übermäßige Knochenresorption verhindern und die Interaktion zwischen RANKL und RANK vermeiden.

OPG/RANKL/RANK ist ein Signalkanal, der die Differenzierung von Osteoklasten regulieren kann und ist einer der wichtigsten Signalwege für Knochenstoffwechselwege.

Die DNA-Methylierung von RANKL und seinem löslichen Rezeptor OPG spielt eine wichtige Rolle bei der Regulation der Osteoklastendifferenzierung. Die Methylierung der Transkriptionsinitiationsregionen von RANKL und OPG hemmt die Transkription von RANKL- und OPG-Genen. Daher spielt die Methylierungsregulation von OPG/RANK/RANKL eine wichtige Rolle bei der osteogenen Differenzierung.

 

Die Rolle der Histon-Methylierung bei der osteogenen Differenzierung und der Osteoporose:

Histon-Methylierung

Die Histon-Methylierung tritt normalerweise an den Lysin- (K)- und Arginin-(R)-Resten des Histon-N-Endes auf, und im Gegensatz zur Acetylierung sind Methylierungsstellen durch Transkriptionsaktivierung und -hemmung gekennzeichnet. Zum Beispiel hängt die Methylierung der Histone H3 K4, K36 und K79 mit der Transkriptionsaktivierung zusammen und die Methylierung von H3K9, H3K27 und H4K20 steht in Zusammenhang mit der Transkriptionshemmung.

Die Histon-Methylierung wird gemeinsam von Methylasen und Demethylasen reguliert. Methyltransferasen und Demethylasen regulieren die Expression verwandter Gene in Osteoblasten und Osteoklasten.

 

Fazit:

Gemeinsam mit den nicht-kodierenden RNAs und  den Histon-Modifikationen ist die DNA- und Histon-Methylierung entscheidend für das Knochengewebe.

Die DNA-Methylierung kann die Differenzierung und Apoptose von Osteoblasten und Osteoklasten regulieren, um eine wichtige Rolle im Pathomechanismus der Osteoporose zu spielen.  Die Methylierung von Genpromotorregionen kann die Expression entsprechender Gene regulieren, wodurch die Differenzierung und Funktion von Osteoblasten/Osteoklasten und schließlich das dynamische Gleichgewicht zwischen Knochenbildung und Knochenaufbau im Prozess des Knochenumbaus beeinflusst wird.

Für die Prävention der Osteoporose spielt der DNA-Methylierungsgrad eine wichtige Rolle im Pathomechanismus der Osteoporose, für Regulation, Differenzierung und Apoptose von Osteoblasten und Osteoklasten.

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Literatur

Letarouilly, J. G., Broux, O., and Clabaut, A. (2019). New insights into the epigenetics of osteoporosis. Genomics 111, 793–798.

Li, Y., Li, J., Chen, L., and Xu, L. (2020). The roles of long non-coding RNA in osteoporosis. Curr. Stem Cell Res. Ther. 15, 639–645.

Xu, Fei et al.2021. The Roles of Epigenetics Regulation in Bone Metabolism and Osteoporosis. Frontiers in Cell and Developmental Biology

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Eduard Rappold

 

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Dr. Eduard Rappold, MSc ist ein erfahrener Forscher und Arzt, der sich seit Jahrzehnten für geriatrische PatientInnen einsetzt. In seinem Bemühen für Alzheimer-Erkrankte eine immer bessere Versorgung zu ermöglichen, wurde er 2003 mit dem Gesundheitspreis der Stadt Wien für das Ernährungszustandsmonitoring von Alzheimer-Kranken ausgezeichnet. Im Zuge seines Masterstudiums der Geriatrie hat er seine Entwicklung des Epigenetic Brain Protector wissenschaftlich fundiert und empirisch überprüft. Im September 2015 gründete er NUGENIS, ein Unternehmen, mit dem er Wissenschaft und Anwendung zusammenbringen möchte. Damit können Menschen unmittelbar von den Ergebnissen der Angewandten Epigenetik für ihre Gesundheit profitieren. Mit dem Epigenetic Brain Protector hat Dr. Eduard Rappold, MSc bereits für internationales Aufsehen gesorgt – auf der international wichtigsten Innovationsmesse, der iENA, wurde er 2015 mit einer Goldmedaille für hervorragende Leistungen zum Schutz vor Neurodegeneration ausgezeichnet. Auf den Webseiten epigenetik.at und facebook.com/nugenis können Themen zur Epigenetik und Aktuelles nachgelesen werden.