Epigenetische Faktoren der Adipositas und des Typ-2-Diabetes

Ansprechpersonen: Dr. Meriem Ouni, Leona Kovac, Markus Jähnert, Dr. Pascal Gottmann

Förderung: Deutsches Zentrum für Diabetesforschung (DZD)

Neben genetischen Ursachen tragen auch epigenetische Unterschiede wie Veränderungen der DNA-Methylierung und nicht-kodierende RNA-Spezies (bspw. micro-RNAs) zur Adipositas und zum Typ-2-Diabetes bei. Zur Identifizierung von Unterschieden in DNA-Methylierungen, die an der Erhöhung des Körpergewichts und der Entstehung einer Insulinresistenz beteiligt sind, untersuchen wir das Expressions- und DNA-Methylierungsprofil von genetisch identischen Mäusen (entweder B6 oder NZO), die sich in ihrem Phänotyp unterscheiden. In der Leber von B6-Mäusen identifizierten wir zwei wichtige Gene (DPP4, IGFBP2), für die wir in Kooperation mit Kollegen des DZD aus Tübingen sowie aus Lille und Malmö zeigen konnten, dass sie auch beim Menschen verändert sind und zur Fettleberentwicklung beitragen. Die Expression von DPP4 ist in der Leber von Adipositas-anfälligen B6-Mäusen bedingt durch eine verminderte DNA-Methylierung gesteigert. Dass ein Anstieg der DPP4-Spiegel in der Leber tatsächlich die Fettspeicherung steigert, eine Insulinresistenz auslöst und Körpergewicht erhöht, zeigte der Phänotyp der Leber-spezifischen DPP4-transgenen Maus. Auch im Plasma von NAFLD-Patienten war die DPP4-Aktivität signifikant erhöht.

Genau umgekehrt ist die Situation für IGFBP2: Hier geht die vermehrte DNA-Methylierung mit einer reduzierten Expression von IGFBP2 in der Leber von Mensch und Maus einher und zwar bereits bevor es zu einer erhöhten Fettspeicherung in der Leber kommt. In Kooperation mit der Abteilung Molekulare Epidemiologie wurde überprüft, ob sich veränderte IGFBP2-Spiegel im Plasma und DNA-Methylierungen in Blutzellen von Personen mit einem Diabetesrisiko von Gesunden unterscheiden. Tatsächlich zeigte sich eine deutliche inverse Assoziation zwischen den zirkulierenden IGFBP2-Konzentrationen und dem Typ-2-Diabetes-Risiko. Außerdem war das Methylierungsniveau des IGFBP2-Gens an sieben CpG-Positionen stark mit der Inzidenz von Typ-2-Diabetes korreliert. Es ist also zu vermuten, dass die Hemmung des IGFBP2-Gens die Entwicklung von Typ-2-Diabetes begünstigt. 

In einem translationalen Ansatz haben wir zunächst in Langerhans-Inseln von weiblichen Diabetes-anfälligen und -resistenten NZO-Mäusen Unterschiede in der DNA-Methylierung und Genexpression nachgewiesen und mit entsprechenden Mustern in Langerhans-Inseln von Gesunden und Typ-2-Diabetikern verglichen. Zudem wurden konservierte Methylierungsstellen - wie oben für das IGFBP2-Gen beschrieben - in Blutzellen von EPIC-Teilnehmern bestimmt und geprüft, ob sie die Vorhersage eines Diabetesrisikos verbessern. Auf diese Weise identifizierten wir 105 Gene, die sowohl in den Langerhans-Inseln der Maus als auch in Blutzellen des Menschen eine veränderte DNA-Methylierung aufwiesen, und zwar bereits Jahre vor der Diabetesdiagnose.

Der Skelettmuskel spielt für die Regulation der Blutglucose eine entscheidende Rolle und seine Insulinempfindlichkeit ist bei Adipositas massiv beeinträchtigt. In Zusammenarbeit mit DZD-Kollegen in Düsseldorf untersuchten wir welche Änderungen der Genexpression und DNA-Methylierungen im Skelettmuskel von schwer adipösen Personen durch eine bariatrische (metabolische) Chirurgie ausgelöst werden. Über einen Zeitverlauf von 2 Wochen bis 12 Monaten beobachteten wir schon früh die erwarteten deutlichen Gewichtsverluste und nach etwa 3 Monaten eine verbesserte Insulinsensitivität. Veränderungen in der Genexpression, die mit denen des Epigenoms einhergingen, waren erst nach 12 Monaten nachweisbar. Dabei waren vor allem Gene des Fettstoffwechsels und der Mitochondrien-Funktion betroffen. Derzeit untersuchen wir, ob adipöse Personen mit einem Typ-2-Diabetes ähnliche Veränderungen im Expressions- und DNA-Methylierungsmuster nach bariatrischer Chirurgie zeigen und, inwieweit sich diese nach der Operation denen schlanker Menschen mit gesundem Stoffwechsel angenähert haben. Es ist außerdem von großem Interesse, welche anderen Interventionen ähnliche Effekte auslösen.

Micro-RNAs (miRNAs) sind kleine nichtkodierende RNAs mit einer Länge von 19-24 Nukleotiden. Sie hemmen die Expression von meist mehreren Genen, indem sie komplementär an die 3’ untranslatierte Region (3’-UTR) der mRNA von Zielgenen binden und entweder deren Translation hemmen oder den Abbau der mRNA induzieren. In einem rein bioinformatischen Ansatz bei dem Kopplungsanalysen, Transkriptiomdaten und Zielgen-Vorhersagen integriert wurden, haben wir nach single nucleotide polymorphisms (SNPs) gesucht, die theoretisch die Bindungsstellen von miRNAs an Ziel-mRNAs stören und auf diese Weise ihre Expression beeinflussen. Dieser Screeningansatz resultierte in einer signifikanten Von 566 Genen, die in Adipositas- und Diabetes-QTL liegen und SNPs in miRNA-mRNA-Bindungsstellen aufweisen tragen 51 Gene eine konservierte miRNA-mRNA-Bindungsstelle im menschlichen Genom. Dass sie tatsächlich mit einem entgleisten Stoffwechsel in Verbindung gebracht werden können zeigen Ergebnisse von entsprechenden Knockout-Mäusen. Die Deletion von 38 der 51 Gene in der Maus wurde bereits dokumentiert und erzeugte Phänotypen die mit Stoffwechselerkrankungen in Verbindung gebracht werden können.

In Langerhans-Inseln von NZO- und B6-ob/ob-Mäusen identifizierten wir außerdem 94 differentiell exprimierte miRNAs, von denen 11 in Diabetes-QTL lokalisiert sind. Darunter ist miR-205-5p, das den stärksten Expressionsunterschied aufweist. Zielgenvorhersagen zufolge beeinflusst miR-205-5p Gene, die an Wnt- und Kalziumsignalwegen sowie an der Insulinsekretion beteiligt sind. Tatsächlich erhöhte die Überexpression von miR-205-5p in einer Beta-Zelllinie die Insulinexpression, steigerte die basale Insulinsekretion und unterdrückte die Expression des Diabetes-Gens TCF7L2.