Кишкова мікробіота як чинник епігенетичного програмування фенотипів ожиріння та цукрового діабету 2 типу. Огляд літератури

К. О. Шишкань-Шишова; О. В.  Зінич

doi:10.30978/CEES-2021-2-75

Автор(и)

К. О. Шишкань-Шишова ДУ «Інститут ендокринології та обміну речовин імені В. П. Комісаренка НАМН України», Київ, Україна https://orcid.org/0000-0003-0939-5902
О. В. Зінич ДУ «Інститут ендокринології та обміну речовин імені В. П. Комісаренка НАМН України», Київ, Україна https://orcid.org/0000-0002-0516-0148

DOI:

https://doi.org/10.30978/CEES-2021-2-75

Ключові слова:

мікробіота кишечника; цукровий діабет 2 типу; епігенетичні модифікації; мікробні метаболіти

Анотація

Останні досягнення в галузі молекулярно-генетичних досліджень дали змогу з’ясувати механізми взаємодії між генами та довкіллям, які частково опосередковуються так званими епігенетичними модифікаціями. Ці зміни не зачіпають первинної структури ДНК генів, але спричиняють стійкі зміни їх експресії, котрі можуть успадковуватися наступними поколіннями та визначати формування відповідного метаболічного фенотипу. Ожиріння, метаболічний синдром та цукровий діабет 2 типу розвиваються на ґрунті інсулінорезистентності за наявності генетичної схильності під дією зовнішніх чинників (вплив довкілля та особливості способу життя, зокрема дієтичні звички). Доведено, що важливим модифікованим чинником розвитку дисметаболічних станів є зміни профілю мікробіоти кишечника, яка відіграє ключову роль у регуляції багатьох обмінних процесів, запалення, активності імунної системи та загального стану організму. Встановлено, що дієти, багаті на жири та вуглеводи, призводять до зменшення різноманітності та змін у складі мікробіоти кишечника, зокрема до зниження рівня Bacteroidetes і збільшення вмісту Firmicutes. Дані клінічних та експериментальних досліджень свідчать про наявність зв’язку між порушеннями складу і функції мікробіому кишечника (дисбіозом) та ожирінням, порушенням глікемічного контролю, а отже, патофізіологією цукрового діабету 2 типу. Ці індуковані епігенетичні модифікації регулюються метаболітами, котрі виробляються мікробіотою кишечника (коротколанцюгові жирні кислоти (ацетат, пропіонат, бутират), цистеїн, меркаптани) і можуть впливати на епігенетичні процеси через дію на метилювання ДНК, ацетилювання та модифікацію гістонів. Крім того, має значення вплив мікробного середовища на секрецію інкретинів ентероендокринними клітинами кишечника. В огляді розглянуто деякі механізми епігенетичних модифікацій, за допомогою яких відбувається вплив мікробіоти на розвиток ожиріння та цукрового діабету 2 типу.

Біографії авторів

К. О. Шишкань-Шишова, ДУ «Інститут ендокринології та обміну речовин імені В. П. Комісаренка НАМН України», Київ

Шишкань-Шишова К.О., мол. наук. співр. відділу вікової ендокринології та клінічної фармакології

О. В. Зінич, ДУ «Інститут ендокринології та обміну речовин імені В. П. Комісаренка НАМН України», Київ

Зінич О.В., д. мед. н., зав. відділом вікової ендокринології та клінічної фармакології

Посилання

Andreeva-Gateva P, Mihaleva Dimova I. Type 2 diabetes mellitus and cardiovascular risk; what the pharmacotherapy can change through the epigenetics. Postgrad Med. 2020;132(2):109-125. doi: 10.1080/00325481.2019.1681215.

Carson C, Lawson H. Epigenetics of metabolic syndrome. Physiol Genomics.2018;50(11):947-955. doi: org/10.1152/physiolgenomics.00072.2018.

Panchal S, Brown L. DNA Methylation in Adipose Tissue and Metabolic Syndrome. J Clin Med. 2020;9(9):2699. doi: 10.3390/jcm9092699.

Rosen E, Kaestner K, Natarajan R. et al. Epigenetics and Epigenomics: Implications for Diabetes and Obesity. Diabetes 2018;67(10):1923-1931. doi: 10.2337/db18-0537.

Rosen ED. Epigenomic and transcriptional control of insulin resistance. J Intern Med. 2016;280:443–456. doi: 10.1111/joim.12547.

Castellano-Castillo D, Moreno-Indias I, Sanchez-Alcoholado L, Ramos-Molina B, Alcaide-Torres J. et al. Altered Adipose Tissue DNA Methylation Status in Metabolic Syndrome: Relationships Between Global DNA Methylation and Specific Methylation at Adipogenic, Lipid Metabolism and Inflammatory Candidate Genes and Metabolic Variables. J Clin Med. 2019; 8(1):87. doi: 10.3390/jcm8010087.

Bland JS. Age-related disease: a revolution is coming, part 2-dietary acid load, hypertension, and cardiovascular disease. Integr. Med (Encinitas). 2018;17(3):12-15. PMC6396764.

Rattarasarn C. Dysregulated lipid storage and its relationship with insulin resistance and cardiovascular risk factors in non-obese Asian patients with type 2 diabetes. Adipocyte. 2018;7(2):71-80. doi: 10.1080/21623945.2018.1429784.

Sharma M, Li Y, Stoll M, Tollefsbol T. The Epigenetic Connection Between the Gut Microbiome in Obesity and Diabetes. Front. Genet. 2020 doi: 10.3389/fgene.2019.01329.

Kobyliak NM, Abenavoli L, Pavlenko GP, Komisarenko YuI. Gut microbiota composition changes associated with obesity: new lights from metagenomic analysis. International Journal of Endocrinology (Ukraine). 2020;16(8):78-85. doi: 10.22141/2224-0721.16.8.2020.222886.

Chassaing B, Gewirtz A. Gut microbiota, low-grade inflammation, and metabolic syndrome. Toxicol Pathol. 2014; 42(1):49-53. doi: 10.1177/0192623313508481.

Shyshkan-Shyshova KO, Zinych OV. The role of the gut microbiota in the regulation of incretin effects. Clinical Endocrinology and Endocrine Surgery. 2020;69 (1):64-71. doi: 10.30978/CEES-2020-1-64.

Zhao L, Zhang F, Ding X. Gut bacteria selectively promoted by dietary fibers alleviate type 2 diabetes. Science. 2018;359(6380):1151-1156. doi: 10.1126/science.aao5774.

Aydin Ö, Nieuwdorp M, Gerdes V. The Gut Microbiome as a Target for the Treatment of Type 2 Diabetes. Curr. Diab. Rep. 2018;18(8):55. doi: 10.1007/s11892-018-1020-6.

Sharon G, Garg N, Debelius J. et al. Specialized metabolites from the microbiome in health and disease. Cell. Metab. 2014;20:719-730. doi: 10.1016/j.cmet.2014.10.016.

Qin Y, Wade P. Crosstalk between the microbiome and epigenome: messages from bugs. J Biochem. 2018;163:105-112. doi: 10.1093/jb/mvx080.

Shenderov B. Gut indigenous microbiota and epigenetics. Microb Ecol Health Dis. 2012; 23:17195. doi: 10.3402/mehd.v23i0.17195.

Lopez C, Miller B, Rivera-Chavez F. et al. Virulence factors enhance citrobacter rodentium expansion through aerobic respiration. Science. 2016;353:1249-1253. doi: 10.1126/science.aag3042.

Romano K, Rey F. Is maternal microbial metabolism an early-life determinant of health? Lab. Anim. (NY) 2018;47 (9): 239–243. doi: 10.1038/s41684-018-0129-1.

Qian H, Chen Y, Nian Z. et al. HDAC6-mediated acetylation of lipid droplet-binding protein CIDEC regulates fat-induced lipid storage. J. Clin. Invest. 2017; 127 (4):1353–1369. doi: 10.1172/JCI85963.

Lieber A, Beier U, Xiao H. et al. Loss of HDAC6 alters gut microbiota and worsens obesity. FASEB J. 2019;33(1): 1098-1109. doi: 10.1096/fj.201701586R.

Allin K, Nielsen T, Pedersen O. Mechanisms in endocrinology: Gut microbiota in patients with type 2 diabetes mellitus. Eur. J. Endocrinol. 2015;172 (4): R167–R177. doi: 10.1530/EJE-14-0874.

Cani P, Amar J, Iglesias M. et al. Metabolic endotoxemia initiates obesity and insulin resistance. Diabetes. 2007;56(7):1761–1772. doi: 10.2337/db06-1491.

Gao Z, Yin J, Zhang J, Ward R. et al. Butyrate improves insulin sensitivity and increases energy expenditure in mice. Diabetes. 2009;58(7):1509-1517. doi: 10.2337/db08-1637.

Lin C-C, Liu C-S, Li C-I. et al. The relation of metabolic syndrome according to five definitions to cardiovascular risk factors–a population-based study. BMC Public Health. 2009;9:484–484. doi: 10.1186/1471-2458-9-484.

Вrahe L, Astrup, A, Larsen L. Is butyrate the link between diet, intestinal microbiota and obesity-related metabolic diseases? Obes. Rev.2013;14(12): 950-959. doi: 10.1111/obr.12068.

Hwang I, Park Y, Kim Y. et al. Alteration of gut microbiota by vancomycin and bacitracin improves insulin resistance via glucagon-like peptide 1 in diet-induced obesity. FASEB J. 2015;29(6):2397-2411. doi: 10.1096/fj.14-265983.