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 (z. B. 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, die sich in ihrem Phänotyp unterscheiden. In der Leber von B6-Mäusen identifizierten wir die zwei wichtigen Gene DPP4 und IGFBP2, für die wir in Kooperation mit Forschenden 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 adipositasanfälligen 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 leberspezifischen DPP4-transgenen Maus. Auch im Plasma von Personen mit einer nicht-alkoholischen Fettleber (NAFLD) 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 des IGFBP2 Gens in Blutzellen von Personen mit einem Diabetesrisiko von denen bei Gesunden unterscheiden. Aus einer Zufallsstichprobe der EPIC-Potsdam-Studie wurde eine Fallkohorte aus 2.500 Teilnehmenden generiert, von denen 820 später einen Typ-2-Diabetes entwickelten. Von allen Personen wurden die IGFBP2-Plasmaspiegel gemessen und von einem Teil, also von 300 Kontrollen und 300 inzidenten Typ-2-Diabetes-Fällen, die DNA-Methylierungen des IGFBP2-Gens in Blutzellen bestimmt. Es 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 einer aktuellen Studie vergleichen wir die in Langerhans-Inseln von weiblichen diabetesanfälligen und -resistenten NZO-Mäusen nachgewiesenen Unterschiede in der DNA-Methylierung und Genexpression mit entsprechenden Mustern in Langerhans-Inseln von Gesunden und Typ-2-Diabetes Betroffenen. Zudem werden konservierte Methylierungsstellen – wie oben für das IGFBP2-Gen beschrieben – in Blutzellen von EPIC-Teilnehmenden bestimmt und geprüft, ob sie die Vorhersage eines Diabetesrisikos verbessern (Abb. 1).

Der Skelettmuskel spielt für die Regulation der Blutglucose eine entscheidende Rolle und seine Insulinempfindlichkeit ist bei Adipositas massiv beeinträchtigt. In Zusammenarbeit mit DZD-Forschenden 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. In zukünftigen Untersuchungen soll geklärt werden, inwieweit sich nach der Operation die Expressions- und DNA-Methylierungsmuster dem schlanker Menschen mit gesundem Stoffwechsel angenähert haben und 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, Transkriptom¬daten 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 Anreicherung von 566 Genen, die in Adipositas- und Diabetes-QTL liegen, SNPs in miRNA-mRNA-Bindungsstellen aufweisen und in Geweben von schlanken und adipösen Tieren unterschiedlich exprimiert werden. Von diesen 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.