Diabetes Mellitus ve Metabolik Belleğinin Zebrafish Modeli
Summary
Metabolik bellek diyabetik komplikasyonlar inat ve öglisemi farmasötik elde edildikten sonra bile engelsiz ilerleme hangi olgudur. İşte biz metabolik bellek mitotik bulaşıcı epigenetik bileşenlerinin incelenmesi için izin verdiği benzersiz bir diyabet zebrafish modeli açıklamak<em> In vivo</em>.
Abstract
Diabetes mellitus, şu anda 346 milyon kişi etkiler ve bu sayının 2030 yılında 400 milyon artması beklenmektedir. Laboratuvar ve büyük ölçekli klinik çalışmalarda hem Kanıt diyabetik komplikasyonların gelişme glisemik kontrol farmasötik gerçekleşse bile metabolik bellek fenomen aracılığıyla engelsiz olduğunu ortaya koymuştur. Gen ekspresyonu stabil bir şekilde hücreler ve organizmalar hızla çevresel uyarıcılar değişen cevap vermesine izin verir, sadece epigenetik değişiklikleri yoluyla değiştirilen değil aynı zamanda bu uyarıcı çıkartıldıktan sonra karşılaşır "hatırlamak" için hücre yeteneği vermek edilebilir. Gibi, bu mekanizmaların metabolik bellek fenomen oynadığı roller henüz incelenmektedir.
Biz son zamanlarda tip I diabet zebrafish modelinin geliştirilmesi bildirdi ve ilişkili değişiklikler dahil olmak üzere bilinen sekonder komplikasyonların görüntüleyemez sadece diyabetik zebrafish göstermek için bu modeli karakterize etmişDiyabetik retinopati, diyabetik nefropati ve bozulmuş yara iyileşmesi ile değil, aynı zamanda engelli Kuyruk yüzgecinin rejenerasyon sergilerler. Bu model zebrafish hasar görmüş pankreas yeniden ve transplant sonrası insan hastalarda beklenen ne benzer bir öglisemik durumuna geri yüklemek için yeteneğine sahip olduğunu benzersizdir. Ayrıca, Kuyruk yüzgecinin amputasyon çok sayıda mermi önceki Diyabetik devlet potansiyel zorlaştıran faktörler olmadan vivo sistemde saf epigenetik etkileri ayrılması ve çalışma için izin verir. Öglisemi pankreas rejenerasyon sonrasında elde olmasına rağmen, yüzgeç yenilenmesi ve cilt yara iyileşmesi Diyabetik sekonder komplikasyon süresiz devam. Bozulmuş yüzgeç rejenerasyon durumunda, bu patoloji hatta kız yüzgeç dokularda kanat rejenerasyon çok sayıda mermi sonra saklanır. Bu gözlemler, metabolik bellekte varolan bir durumda bulunan altta yatan epigenetik sürecine işaret etmektedir. Burada başarılı bir nesil için gerekli yöntemleri anlatmakbalık diyabetik ve metabolik bellek grupları hafiften orta ve bu modelin avantajları tartışacağız.
Introduction
Diabetes mellitus (DM) ciddi ve büyüyen bir sağlık sorunu olduğunu hastalığa özgü mikrovasküler (retinopati, nefropati, nöropati, yara iyileşmesinde bozulma) ve makrovasküler (kalp hastalığı ve inme) komplikasyonlar 1 nedeniyle azalmış yaşam beklentisi sonuçlar. Bir kez başlatılan, diyabet komplikasyonları glisemik kontrol 2,3 elde edilmiş olsa bile kesintisiz ilerlemeye devam ediyor ve bu fenomenin metabolik bellek veya eski etkisi olarak adlandırılır olmuştur. Bu olayın varlığı, "Diyabet Kontrol ve Komplikasyonları Çalışması (DCCT)" ilerledi ve o zamandan beri birçok ek klinik 4,5,6,7,8,9,10 tarafından desteklenmektedir olarak 1990'ların başlarında klinik olarak tanındı 11,12,13,14. DM Hayvan modelleri diyabetik komplikasyonlar ve metabolik bellek pato-fizyolojisi ile ilgili keşifler için kritik olmuştur. Aslında, diyabetik komplikasyonların sebat ilk diyabetik bir köpek modelinde belgelendiHangi retinopati yana in vitro kültür sistemleri ve hayvan modelleri 15,16,17,18,19,20,21 içinde çeşitli kullanarak deneysel kanıt birkaç satırlık tarafından desteklenmektedir. Bu çalışmalar, net bir şekilde hedef organ / hücrelerin sürekli bozukluklar (anormal gen ekspresyonu dahil olmak üzere) ve mekanistik bir ilk dönem sonuçlarının hiperglisemik epigenom katılımı göstermektedir göstermektedir.
Epigenomes belirli bir hücre tipi için tüm kromatin modifikasyonları oluşur ve hücre benzersiz gen ekspresyon profili sorumludur. Kromozom değişiklikler, geliştirme, destek hücre farklılaşması sırasında dinamik dış uyaranlara duyarlı, mitotik stabil 22,23 devralınan ve hastalık 24,25,26 değişmiş olabilir. Bu epigenetik mekanizmalar şunlardır: translasyonel histon modifikasyonları, octomers olmayan kanonik histon varyant içerme, DNA metilasyonu ile kromatin erişim değişiklikler ve gen yayınlayınmikro RNA'lar 27,28,29,30 kodlamayan yoluyla ifade kontrolü. Toplamda, epigenetik süreçleri hücre / organizma hızlı çevresel uyaranlara 31,32,33 değişen yanıt vermesini sağlamak, onlar da bu uyarıcı 23,22 çıkartıldıktan sonra karşılaştığında "hatırlamak" için hücre için yeteneği kazandırmaz. Epigenetik süreçler sonucunda değişmiş gen ekspresyon profilleri bunları başlatılan sinyalinin olmaması (ler) in kararlı ve hücre bölünmesi yoluyla kalıtsal olarak, bu nedenle, onların metabolik bellek dahil olmak üzere insan patolojilerin moleküler mekanizmalar olarak büyük ilgi kazanmıştır. DM ve epigenetik hiperglisemi ile indüklenmiş epigenetik değişikliklerin bir bolluk hücre transkripsiyonel ağlarda kayda değer kalıcı değişiklikler (34,35,36,37,38 olarak gözden geçirilmiştir) neden olduğu diğer hastalıkların paralel gelişmeler bağlamında ortaya çıkmaktadır sonuçlanır.
Zebrafish uzun stu için önde gelen bir model organizma olmuşturdy omurgalı gelişimi Ancak son 15 yılda insan hastalık çalışma için bu organizma kullanan bir üstel büyüme. 39. gördü. Insan hastalık Zebrafish modeller genetik bozukluklar ve edinilmiş hastalığı 40,41,42 dahil olmak üzere insan patolojileri geniş bir aralığı kapsayan kurulmuştur. Diğer omurgalı model organizmalar üzerinde zebrafish birçok avantajı yüksek doğurganlık, kısa döl süresi, erken yetişkinlik yoluyla şeffaflık, düşük konut maliyetleri ve gen manipülasyonu için bir dizi araç içerir. Dahası, omurgalılarda ve yüksek verimli ilaç taramalarında gerçekleştirmek için kapasite arasında genetik yolları ve hücre fizyolojisi geniş koruma dolayı, zebrabalığı başarılı ilaç keşfi için kullanılmıştır.
Biz diyabetojenik ilaç, streptozosin kullanarak tip I diyabet, yetişkin zebrafish modeli geliştirdik. Biz diyabetik zebrafish hiçbir göstermek için bu modeli karakterize etmişt sadece bilinen insan ikincil komplikasyonlar görüntüler, ancak ilave olarak, çevre hiperglisemik bir sonucu olarak bozulmuş uzuv yenilenme (kaudal yüzgeç rejenerasyon) sergiler. Ayrıca, hiperglisemik zebrafish bir fizyolojik normal glisemik devlet sonuçlanan endojen pankreatik beta hücrelerinin yenilenmesi nedeniyle uzaklaştırılan ilaç 2 hafta içinde normal glisemi geri dönmek olduğunu bildirdi. Bu komplikasyonun devam ve metabolik bellek duyarlı olduğunu belirten akut diyabetik devlet Ancak, aksine, bu balık uzuv rejenerasyon aynı ölçüde bozulmuş kalır. Bu modelin üretilmesi için ana hız önceki hiperglisemik çevre arka plan gürültü yokluğunda metabolik bellek fenomen destek mitotik olarak kararlı epigenetik bileşenini ve bir sistem sağlamaktır. Protokolü bitiminde zebrafish ve veya seçici dokuların resea uygun herhangi bir tahlil ile işlenebilir Burada sağlananrchers gerekmektedir. Biz başarıyla metabolik bellek durumu 21 tutulur hiperglisemi ile indüklenen DNA metilasyonu genom kalıcı değişiklikleri tanımlamak için bu prosedürü kullandık.
Biz tip I diyabet bu zebrafish modeli metabolik bellek incelenmesi için diğer model sistemler üzerinde birçok yenilikçi avantajları olduğunu hissediyorum. 1) bizim Tüm çalışmalarda, in vivo olarak gerçekleştirilebilir ve önceki hiperglisemik balık endojen insülin üretiminin rejenerasyonu ile öglisemi dönmek gibi, eksojen insülin enjeksiyonları gerekmez. Bu nedenle, bu dışsal ensülin gerektiren hayvanların oluşabilir glisemik kontrol zorlaştıran ani ve vadiler önler. 2) yukarıda tarif edilen önceki diyabetik durumuna (yani ileri glikasyon son-ürünleri ve reaktif oksijen türlerinin belirteçlerin devam eden varlığı) için arka plan uyarım elimine edilir ve bu nedenle tek bir saf epig incelemek üzeremetabolik bellek enetic faktörleri. Bu metabolik bellek inceleme kadar diyabet indüksiyon yaklaşık 80 gün sürer olarak 3) deneyleri hızla gerçekleştirilebilir. 4) Kuyruk yüzgeci rejenerasyon deneysel çok cana yakın ve araçları geniş bir dizi var olduğu için kolay genetik ve deneysel manipülasyon için izin verir. 5) Kuyruk yüzgeci rejenerasyon metabolik bellek değerlendirmek ve bu nedenle gelecekteki ilaç keşfi için izin verecek bir çok basit ve ölçülebilir bir yöntem sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diabetes mellitus, başlangıçta sonuçta öglisemi farmasötik müdahale olsa elde edildikten sonra tüm bile devam birçok komplikasyonlara yol açan kan damarı hasar ile sonuçlanan hiperglisemi, tanısı metabolik düzensizlik bir hastalıktır. Komplikasyonların Bu sebat metabolik bellek ve çeşitli yeni çalışmalar epigenetik mekanizmalar bu fenomeni oynadığı rolü incelenmiştir olarak adlandırılır. Burada akut diyabetik ve metabolik bellek (restore şekeri kontrolü) zebrafish hem üretimi için izin…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Iacocca Aile Vakfı, Rosalind Franklin Üniversitesi start-up fonları ve Sağlık Grant DK092721 Ulusal Enstitüsü (RVI için) bir araştırma bursu ile desteklenmiştir. Yazarlar makalenin hazırlanmasında yardımı için Nikki Intine teşekkür etmek istiyorum.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Streptozocin | Sigma Aldrich | S0130 | |
| 2 phenoxyethanol | Sigma Aldrich | P1126 | |
| Scalpel (size 10) | Fisher Scientific | 089275A | |
| Petri Dishes | Fisher Scientific | 08-757-13 | |
| ½ cc syringe, with 27 1/2 gauge needle | Fisher Scientific | 305620 | |
| QuantiChrome glucose assay kit. | Bioassay Systems | DIGL-100 | |
| Sodium Chloride | Sigma Aldrich | S3014 | |
| Dissecting Microscope | Nikon | TMZ-1500 | Any dissecting microscope is fine. |
| Camera for Imaging | Nikon | Q imaging | Any camera is suitable. |
| Image J software | National Institutes of Health | NIH Image | |
| NIS Elements | Nikon | Any imaging software is suitable. |
Referências
- Brownlee, M. The pathobiology of diabetic complications: a unifying mechanism. Diabetes. 54, 1615-1625 (2005).
- Ihnat, M. A., Thorpe, J. E., et al. Reactive oxygen species mediate a cellular ‘memory’ of high glucose stress signalling. Diabetologia. 50, 1523-1531 (2007).
- Ceriello, A., Ihnat, M. A., Thorpe, J. E. Clinical review 2: The “metabolic memory”: is more than just tight glucose control necessary to prevent diabetic complications. J. Clin. Endocrinol. Metab. 94, 410-415 (2009).
- . The effect of intensive treatment of diabetes on the development and progression of long-term complications in insulin-dependent diabetes mellitus. The Diabetes Control and Complications Trial Research Group. N. Engl. J. Med. 329, 977-986 (1993).
- Turner, R. C., Cull, C. A., Frighi, V., Holman, R. R. Glycemic control with diet, sulfonylurea, metformin, or insulin in patients with type 2 diabetes mellitus: progressive requirement for multiple therapies (UKPDS 49). UK Prospective Diabetes Study (UKPDS) Group. JAMA. 281, 2005-2012 (1999).
- Gaede, P. H., Jepsen, P. V., Larsen, J. N., Jensen, G. V., Parving, H. H., Pedersen, O. B. The Steno-2 study. Intensive multifactorial intervention reduces the occurrence of cardiovascular disease in patients with type 2. 165, 2658-2661 (2003).
- Holman, R. R., Paul, S. K., Bethel, M. A., Matthews, D. R., Neil, H. A. 10-year follow-up of intensive glucose control in type 2 diabetes. N. Engl. J. Med. 359, 1577-1589 (2008).
- Nathan, D. M., Cleary, P. A., et al. Intensive diabetes treatment and cardiovascular disease in patients with type 1 diabetes. N. Engl. J. Med. 353, 2643-2653 (2005).
- . Retinopathy and nephropathy in patients with type 1 diabetes four years after a trial of intensive therapy. The Diabetes Control and Complications Trial/Epidemiology of Diabetes Interventions and Complications Research Group. N. Engl. J. Med. 342, 381-389 (2000).
- Ismail-Beigi, F., Craven, T., et al. Effect of intensive treatment of hyperglycaemia on microvascular outcomes in type 2 diabetes: an analysis of the ACCORD randomised trial. Lancet. 376, 419-430 (2010).
- Duckworth, W. C., McCarren, M., Abraira, C. Glucose control and cardiovascular complications: the VA Diabetes Trial. Diabetes Care. 24, 942-945 (2001).
- Skyler, J. S., Bergenstal, R., et al. Intensive glycemic control and the prevention of cardiovascular events: implications of the ACCORD, ADVANCE, and VA diabetes trials: a position statement of the American Diabetes Association and a scientific statement of the American College of Cardiology Foundation and the American Heart Association. Diabetes Care. 32, 187-192 (2009).
- Riddle, M. C. Effects of intensive glucose lowering in the management of patients with type 2 diabetes mellitus in the Action to Control Cardiovascular Risk in Diabetes (ACCORD) trial. Circulation. 122, 844-846 (2010).
- Patel, A., Macmahon, S., et al. Intensive blood glucose control and vascular outcomes in patients with type 2 diabetes. N. Engl. J. Med. 358, 2560-2572 (2008).
- Engerman, R. L., Kern, T. S. Progression of incipient diabetic retinopathy during good glycemic control. Diabetes. 36, 808-812 (1987).
- Hammes, H. P., Klinzing, I., Wiegand, S., Bretzel, R. G., Cohen, A. M., Federlin, K. Islet transplantation inhibits diabetic retinopathy in the sucrose-fed diabetic Cohen rat. Invest Ophthalmol. Vis. Sci. 34, 2092-2096 (1993).
- Kowluru, R. A. Effect of reinstitution of good glycemic control on retinal oxidative stress and nitrative stress in diabetic rats. Diabetes. 52, 818-823 (2003).
- Kowluru, R. A., Chakrabarti, S., Chen, S. Re-institution of good metabolic control in diabetic rats and activation of caspase-3 and nuclear transcriptional factor (NF-kappaB) in the retina. Acta Diabetol. 41, 194-199 (2004).
- Roy, S., Sala, R., Cagliero, E., Lorenzi, M. Overexpression of fibronectin induced by diabetes or high glucose: phenomenon with a memory. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87, 404-408 (1990).
- Li, S. L., Reddy, M. A., et al. Enhanced proatherogenic responses in macrophages and vascular smooth muscle cells derived from diabetic db/db mice. Diabetes. 55, 2611-2619 (2006).
- Olsen, A. S., Sarras, M. P., Leontovich, A., Intine, R. V. Heritable Transmission of Diabetic Metabolic Memory in Zebrafish Correlates With DNA Hypomethylation and Aberrant Gene Expression. Diabetes. , (2012).
- Dolinoy, D. C., Jirtle, R. L. Environmental epigenomics in human health and disease. Environ. Mol. Mutagen. 49, 4-8 (2008).
- Morgan, D. K., Whitelaw, E. The case for transgenerational epigenetic inheritance in humans. Mamm. Genome. 19, 394-397 (2008).
- Ho, L., Crabtree, G. R. Chromatin remodelling during development. Nature. 463, 474-484 (2010).
- Jaenisch, R., Bird, A. Epigenetic regulation of gene expression: how the genome integrates intrinsic and environmental signals. Nat. Genet. 33, 245-254 (2003).
- Jirtle, R. L., Sander, M., Barrett, J. C. Genomic imprinting and environmental disease susceptibility. Environ. Health Perspect. 108, 271-278 (2000).
- Blomen, V. A., Boonstra, J. Stable transmission of reversible modifications: maintenance of epigenetic information through the cell cycle. Cell Mol. Life Sci. , (2010).
- Bogdanovic, O., Veenstra, G. J. DNA methylation and methyl-CpG binding proteins: developmental requirements and function. Chromosoma. 118, 549-565 (2009).
- Mosammaparast, N., Shi, Y. Reversal of histone methylation: biochemical and molecular mechanisms of histone demethylases. Annu. Rev. Biochem. 79, 155-179 (2010).
- Kouzarides, T. Chromatin modifications and their function. Cell. 128, 693-705 (2007).
- Gluckman, P. D., Hanson, M. A., Beedle, A. S. Non-genomic transgenerational inheritance of disease risk. Bioessays. 29, 145-154 (2007).
- Bjornsson, H. T., Fallin, M. D., Feinberg, A. P. An integrated epigenetic and genetic approach to common human disease. Trends Genet. 20, 350-358 (2004).
- Whitelaw, N. C., Whitelaw, E. Transgenerational epigenetic inheritance in health and disease. Curr. Opin. Genet. Dev. 18, 273-279 (2008).
- Reddy, M. A., Natarajan, R. Epigenetic mechanisms in diabetic vascular complications. Cardiovasc. Res. , (2011).
- Villeneuve, L. M., Reddy, M. A., Natarajan, R. Epigenetics: deciphering its role in diabetes and its chronic complications. Clin. Exp. Pharmacol. Physiol. 38, 401-409 (2011).
- Pirola, L., Balcerczyk, A., Okabe, J., El-Osta, A. Epigenetic phenomena linked to diabetic complications. Nat. Rev. Endocrinol. 6, 665-675 (2010).
- Cooper, M. E., El-Osta, A. Epigenetics: mechanisms and implications for diabetic complications. Circ. Res. 107, 1403-1413 (2010).
- Intine, R. V., Sarras, M. P. Metabolic Memory and Chronic Diabetes Complications: Potential Role for Epigenetic Mechanisms. Curr. Diab. Rep. , (2012).
- Amsterdam, A., Hopkins, N. Mutagenesis strategies in zebrafish for identifying genes involved in development and disease. Trends Genet. 22, 473-478 (2006).
- Lieschke, G. J., Currie, P. D. Animal models of human disease: zebrafish swim into view. Nat. Rev. Genet. 8, 353-367 (2007).
- Mandrekar, N., Thakur, N. L. Significance of the zebrafish model in the discovery of bioactive molecules from nature. Biotechnol. Lett. 31, 171-179 (2009).
- Goldsmith, J. R., Jobin, C. Think small: zebrafish as a model system of human pathology. J. Biomed. Biotechnol. 2012, 817341 (2012).
- Olsen, A. S., Sarras, M. P., Intine, R. V. Limb regeneration is impaired in an adult zebrafish model of diabetes mellitus. Wound. Repair Regen. 18, 532-542 (2010).
